0 引言

荷载和环境是影响沥青路面使用性能的重要因素，对于交通量总体较小的西藏地区，沥青路面长期使用性能更大程度受当地气候环境的影响。西藏自治区位于青藏高原西南部，平均海拔4 000 m，自然条件特殊，空气稀薄，气温日较差大，日照时间长，紫外线强烈，气候类型复杂，纬度和海拔的差异致使西藏地区呈现出显著的区域性气侯特征。青藏公路格尔木至拉萨段路面病害调查表明沥青面层裂缝类损坏和松散类损坏分别占到总损害量的36%和17%，而车辙类损坏量则很小^[1]，可见辐射老化作用对沥青路面使用性能的影响不可忽视。藏东南低海拔地区的沥青路面病害调查表明降雨与大温差导致的松散、坑槽、横向裂缝等病害最为严重^[2]。我国现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004) 根据全国气候因素提出了高温分区、低温分区、雨量分区(沥青气候分区为二级区划，混合料气候分区用三级区划)^[3]，这样也就导致西藏气候区划较为粗略^[4-5]，不能完全反映西藏各地区的真实气候状况。此外，现行沥青路面使用性能气候分区以气温为依据^[6]，没有和路面实际温度结合起来，不能保证其与路用性能有良好的相关关系。因此，文中借鉴SHARP研究计划提出的沥青路面性能分级思想^{[7-9, 11, 18]}及LTPP推荐公式^{[10, 13]}，根据西藏各地30 a气象资料，建立更为精细的西藏地区沥青路面路用性能气候分区和沥青PG分级标准^{[12, 14-17]}，以期为西藏地区沥青路面的设计提供参考。

1 西藏地区气候分析

西藏自治区位于青藏高原西南部，介于北纬26°52′~36°32′，东经78°24′~99°06′之间，全区面积122.84万km²，约占全国总面积的1/8。根据西藏地区地形地貌特点，全区为喜马拉雅山脉、昆仑山脉和唐古拉山脉所环抱，大致可分为4个地带:一是藏北高原，位于昆仑山脉、唐古拉山脉和冈底斯—念青唐古拉山脉之间；二是藏南谷地，海拔平均在3 500 m左右，在雅鲁藏布江及其支流流经的地方，有许多宽窄不一的河谷平地；三是藏东高山峡谷，即藏东南横断山脉、三江流域地区，山势较陡峻，山顶终年积雪，山腰森林茂密，山麓有四季常青的田园，景色奇特；四是喜马拉雅山地，由几条大致东西走向的山脉构成，平均海拔6 000 m左右，山区内西部海拔较高，气候干燥寒冷，东部气候温和，雨量充沛，森林茂密。如此复杂的地形地貌给公路线形设计和路面结构形式选择提出了严峻的考验。

西藏地区气候独特多变，总体上具有西北严寒、东南温暖湿润的特点。如果以气温和降水为主要依据，可把西藏自治区划分为不同的气候区，即：藏东南亚热带山地湿润气候区、波密、林芝高原温暖湿润气候区、三江高原温暖半湿润气候区、雅鲁藏布江流域高原温带半湿润半干旱气候区、喜马拉雅山脉北麓高原温带半干旱气候区、阿里南部高原温带干旱气候区、藏东北高原亚温带湿润气候区、南羌塘高原亚寒带半干旱气候区、北羌塘高原亚寒带干旱气候区。

因此，复杂多变的气候特点、高程起伏变化的地形地貌、特殊气候条件下的路基条件等决定了在进行公路路面结构设计和材料选择时需要有所区分，材料的路用性能以及路面结构的组合需要根据气候特点、地形地貌、水文地质等条件综合考虑。

通过资料统计西藏地区区域内年均气温在-2.8~12.0 ℃，总体呈现东南向西北递减规律，6月平均气温高，1月份平均气温最低。气温年变化小、日变化大。

为了确定西藏地区沥青路面结合料的PG分级，文中收集了西藏22个气象站点及周边3省4个气象站点1981—2010年30 a的年极端最低气温、年平均风速、年均降雨量、6月份每天最高气温等，求取6月份的日最高气温连续7 d的平均温度以及每年连续7 d平均温度最大值; 同时每年极端低温、年降水量、最热月平均温度汇总见表 1，以及累年连续7 d最高气温平均值趋势图见图 1，累年年平均极端最低气温趋势图见图 2，西藏地区累年年平均降雨量柱状图见图 3。

2 我国沥青与沥青混合料路用性能分区

根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004) 中指出的道路沥青路面的气候分区，阐述了沥青路用性能气候分区考虑到的3方面重点为高温车辙、低温裂缝和水稳定性，其中主要因素为高低温度及年降水量，通过数值归纳划分，形成3个分区方式，即高温分区、低温分区和雨量指标分区。我国的沥青分区目前使用的是二级区划的方式，即只使用高温和低温进行分区。高温分区采用近30 a内的最热月平均日最高气温平均值进行划分，可划分为3个高温分区：1—夏炎热区(＞30 ℃)；2—夏热区(20~30 ℃)；3—夏凉区(＜20 ℃)。低温分区采用近30 a的极端最低气温进行划分，可划分为：1—冬严寒区(＜-37.0 ℃)；2—冬寒区(-37.0~-21.5 ℃)；3—冬冷区(-21.5~-9.0 ℃)；4—冬温区(＞-9.0 ℃)。

根据近30 a的年降水量平均值进行雨量指标分区的划分，可分为4级：1—潮湿区(＞1 000 mm)；2—湿润区(1 000~500 mm)；3—半干区(500~250 mm)；4—干旱区(＜250 mm)。

3 西藏地区沥青路面路用性气候分区

通过收集分析西藏及周边26个气象站点1981—2010年30 a的气象数据，参照结合《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004)，采用三级区划方式对西藏地区沥青路用性能进行气候分区，可划分为2-2-4夏热冬寒干旱、3-2-4夏凉冬寒干旱、3-2-3夏凉冬寒半干、3-2-2夏凉冬寒湿润、2-3-3夏热冬冷半干、2-3-2夏热冬冷湿润6个区。

每个气候型按3个数字表示，第1个数字代表 7月平均最高气温的分布；第2个数字代表最低气温的分布；第3个数字代表降水总量分布。3个数字综合表示该地区气候类型，数字越小反映出气候因素对沥青材料性质影响越严重。

4 西藏地区沥青与沥青混合料PG分级 4.1 沥青PG分级理论

SHRP沥青性能分级的显著特色在于它取代了固定温度进行试验而改变规定值的做法，即规定值是固定的，而达到此固定值的试验温度是变化的，从而保证不同地区达到相同使用性能要求的温度条件不同。它对沥青结合料的性能分级(PG等级)共有7个等级，7个亚级。美国Superpave基于结合料性能的沥青性能(PG)分级分高温等级与低温等级, 高温等级有46，52，58，64，70，76，82共7个等级, 低温等级也有-10，-16，-22，-28，-34，-40，-46共7个等级，见表 2。

选择沥青结合料等级的设计温度是路面温度而不是气温。高温等级的温度是指距路面表面20 mm深度处的温度, 而低温等级的温度则指路面表面的温度。

4.2 路面设计高温的确定

SHRP计划在研究报告中指出，高温条件下，路表温度是由路表的热气流决定的，而路表热流是由多方面的因素决定，可用式(1) 表示^[7]：

(1)

在实际应用中为了简化计算，Huber(1994) 对美国5个地区的气温和由热平衡方程计算得到的路表温度进行了回归分析，建立了计算路表最高温度的公式，模型的参数包括日最高气温和纬度^[7]。

通过对我国其他地区PG分级研究的文献资料分析，PG分级研究的高温采用SHRP公式将气温转换为位于20 mm深处的路面设计高温T_{20 mm}。

路表下20 mm的温度可通过式(2) 计算得出

(2)

式中，T_{20 mm}为位于20 mm深度处的最高路面设计温度；T_air1为7 d平均最高气温；L_at为气象站点的地理纬度。

而LTPP带有概率的高温模型公式为^[9]：

(3)

式中，T_pav1为路表面最高温度；σ_air1为温度最高的7 d平均温度的标准差；H为路表面下深度；Z为根据标准正态分布表，Z=2.055，98%可靠度。

由此，可以得出PG分级高温设计温度，西藏地区的高温设计温度计算结果见表 3。

4.3 路面设计低温的确定

低温设计温度是指一定保证率下路面结构层内的低温温度。目前国内相关文献中确定最低路面设计温度的公式一般采用下面几个：

(1) SHRP计算公式，将路面低温设计温度简单假定为与最低气温相同，计算公式为：

(4)

(2) 加拿大C-SHRP提出公式：

(5)

式中，T_min为最低路面设计温度；T_air2为平均年最低气温。

(3) LTPP推荐公式^[10]：

(6)

式中，T_pav2为路面下的最低路面温度；T_air3为最低空气温度；L_at为气象站点纬度；H为路面下的深度；σ_air3为30 a最低气温标准差；Z为根据正态分布表，Z=2.055，可靠度98%。

西藏地区低温计算结果见表 4。从西藏地区低温计算结果可以看出，SHRP公式计算值＜LTPP公式计算值＜C-SHRP模式计算值, 平均依次相差约5 ℃和15.8 ℃。因此，采用SHRP公式计算沥青路面低温设计温度偏安全。考虑到西藏地区的地理环境及气温状况，适宜采用SHRP公式计算确定沥青路面低温设计温度。而采用加拿大C-SHRP公式计算路面的低温设计温度将造成低温设计不安全。

4.4 西藏地区沥青及沥青混合料PG分级

通过上述对西藏地区高、低设计温度的计算，确定了西藏地区沥青的PG等级。以拉孜地区为例：选择PG52的高温等级以保护51.3 ℃以上部分，选择PG-22的低温等级以保护低于-19.1 ℃的部分。在PG52-22结合料等级高、低温情况中，实际可靠度高，这是因为在标准等级之间的6度差异其向上取值所致。这种向上取值的方法是结合料的选择趋于保守。此外，在沥青结合料分类的试验过程中同样存在这种问题，即某特种结合料在较低或较高温度试验时可以通过所有标准，但因标准等级之间存在6度的差异，而被分类到分级体系的下一个级别。这种选择过程致使最终选择结合料的安全因子偏大。对于这种按温度分段的结合料分级体系，使用者应该意识到选择过程中包含的安全因素。综上所述建议西藏地区所使用的沥青结合料等级(特别是高速公路中使用的结合料等级)见表 5。

5 结论

西藏地区地形地貌复杂多样，全区为喜马拉雅山脉、昆仑山脉和唐古拉山脉所环抱，平均海拔高、年温差大，降雨量分布不均匀，总体上具有西北严寒、东南温暖湿润的特点。根据收集的西藏地区气象资料进行有效的气候分析，划分了藏北、藏西、藏南、藏东南4大区域，同时奠定了公路沥青路面路用性能分区的基础。按照国内沥青与沥青混合料路用性能分区标准结合了降雨量分布，对西藏地区沥青路用性能划分了夏热冬寒干旱、夏凉冬寒干旱、夏凉冬寒半干、夏凉冬寒湿润、夏热冬冷半干、夏热冬冷湿润6个区，为该区修筑沥青路面提供技术支持。借鉴SHARP研究计划提出的沥青路面性能分级思想，参照国内外一些地区PG分级方法，制定了西藏地区沥青使用的PG分级，对高海拔、高寒、大温差地区提升公路修建质量，在选择沥青品种、沥青混合料配比设计以及沥青路面施工工艺确定等方面提供参考。