温度传感器对公路路基健康及耐久性的影响分析

　　摘要：公路路基温度变化是影响公路路基健康及耐久性的重要因素。路基温度场的研究大多针对长时间的温度变化，极少研究温度日变化对路基温度场的影响。针对这一问题，依托公路工程埋设高分辨率温度传感器，研究了路基温度在一天内随气温变化的规律。结果表明，外部温度的变化对路基内部温度的影响随着深度的增加而减弱，且不同深度温度峰值出现的时间不同，热量在路基内的传播存在滞后效应。

　　关键词：温度传感器; 路基; 热量传递; 滞后效应;

　　Study on hysteresis effect of subgrade heat transfer based on temperature sensor

　　Abstract：The temperature change of highway roadbed is an important factor affecting the health and durability of highway roadbed. At present, the research of subgrade temperature field is mostly aimed at the temperature change over a long period of time, and the influence of daily variation of temperature on roadbed temperature field is rarely studied. In view of this problem, high-resolution temperature sensors are installed in highway engineering. The variation of roadbed temperature with air temperature in one day is studied. The results show that the influence of the change of external temperature on the internal temperature of roadbed weakens with the increase of depth, the time of the peak temperature of different depth is different, and a lag effect of heat transmission in the roadbed exists.

　　0 引言

　　公路路基温度变化是路基路面病害产生的重要因素，路基温度变化不仅直接影响路基伸缩引起裂缝、冻胀等病害[1,2,3]，还会引起路基深部土压力变化[4]及盐水相变，是路基盐-冻胀及沉陷变形的基础[5]。大气温度对路基表层一定深度的影响较为敏感，其会随大气温度变化呈现起伏。杨晓华等通过室内模拟试验认为路基温度的敏感深度为20cm[5]，而敏感深度以下，路基内部温度一般呈平稳变化趋势。国内外对路基温度的研究多是建立在长时间线上路基内部稳定温度的研究，如路基温度场分布规律、路基冻土深度等[6,7]，然而，由于达到一定深度路基温度变化幅度较小，一般温度传感器难以发现其变化，路基温度随大气温度的日变化规律少有研究。本文通过高精度温度传感器对真实服役路基进行监测，研究了路基温度随大气温度的日变化规律。

　　1 试验设备及现场监测

　　1.1 设备指标

　　路基深部受大气温度变化的敏感性较弱，选取分辨率为0.01℃的CAMPBELL-109温度探头来分辨路基深部温度细微变化，选用分辨率为0.1℃的GILL-GMX600气象站来监测大气温度的日变化。

　　表1 试验设备用途及参数     

　　1.2 现场监测

　　路基内设置两个温度监测点，距离边坡的垂直距离分别为1号点0.83m和2号点0.55m（图1）。气象站建设在距监测点1km处，可视为与监测点大气温度一致。

　　图1 温度传感器布置横断面（标注单位:m)  

　　2 监测结果与分析

　　通过对路基温度的长期监测发现，随大气温度的日变化，两监测点均呈现规律性变化。以2020年6月1日的监测为例，路基内部温度整体呈现波动上升趋势，2号点温度整体高于1号点；每日的温度波动在1℃以内，且2号点的波动较1号点更加明显；两监测点温度峰值出现的时间与大气温的峰值时间不同，且两点间温度峰值也不同，大气温度峰值出现在18:00左右，1号点峰值出现在16:00左右，2号点峰值出现在8:00左右（图2、图3）。

　　图2 一日内路基温度变化  

　　图3 一日内大气温度变化  

　　由监测数据可见，外部温度的变化对路基内部温度的影响随着深度的增加而减弱，且不同深度温度峰值出现的时间不同，说明热量在路基内的传播不仅伴随着能量的消耗，且传递具有滞后效应，传递至0.55m处滞后约14小时，传递至0.83m处滞后约22小时。热量在路基内的这一传播特性，也解释了路基温度场阶梯型分布的原因。

　　3结语

　　本文通过在路基不同深度埋设高分辨率温度传感器，监测了路基温度随大气温度的日变化规律，得出结论如下：

　　1）距边坡垂直距离0.55m的2号点较0.83m的1号点受气温日变化的影响更大，说明路基内部温度受外部温度的影响随着深度的增加而减弱；

　　2）大气、1号点及2号点温度的峰值各不相同，温度峰值分别出现在18:00左右、16:00左右、8:00左右，说明热量在路基内的传递具有滞后性，且随深度的增加滞后时间增长。

　　参考文献

　　[1]陶祥令.多年冻土区路基纵向裂缝形成机理及演化规律研究[D].徐州：中国矿业大学，2017.

　　[2]张开立.草原湿地季节性冻土路基力学与变形特性研究[D].西安：长安大学,2013.

　　[3]米隆,赖远明,吴紫汪,等.高原冻土铁路路基温度特性的有限元分析[J].铁道学报,2003,25(2):62-67.

　　[4]王文斌,张云成,张霁阳,等.路基静态土压力与温度的关系研究[J].交通科技与经济,2016(1):46-49.

　　[5]杨晓华,刘伟,张莎莎,等.温度变化对粗粒硫酸盐渍土路基变形影响分析[J].中国公路学报,2020,33(3):64-72.

　　[6]汪海年.青藏高原多年冻土地区路基温度场研究[D].西安：长安大学,2004.

　　[7]赵晨.多年冻土区宽幅路基温度场规律研究[D].南京：东南大学,2015.