多雨地區(qū)排水瀝青路面設(shè)計(jì)研究

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摘要：水損害是造成我國(guó)瀝青路面損害的主要原因之一，大量的國(guó)內(nèi)外水損害實(shí)驗(yàn)資料表明，滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的自由水是造成路面損壞的主要因素。本文在分析瀝青路面早期水損害機(jī)理的基礎(chǔ)上，從面層排水路面、半透式排水路面和全透式排水路面三種路面排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，提出一套適合多雨地區(qū)瀝青路面排水的設(shè)計(jì)方案，可為多雨地區(qū)瀝青路面排水設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；水損害；機(jī)理；排水設(shè)計(jì)

瀝青路面水損害是指瀝青路面在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的水浸泡或者在溫度變化條件下經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)作用后，在路面上的汽車荷載壓力反復(fù)作用下，雨水或者融化的冰水滲入瀝青混合料的空隙中，最終形成水壓力或者真空負(fù)壓抽吸的循環(huán)作用，導(dǎo)致瀝青與集料之間的粘結(jié)能力降低，瀝青與集料分散開(kāi)，最終導(dǎo)致瀝青從集料表面剝離開(kāi)，使得瀝青路面出現(xiàn)集料松散、脫落，甚至出現(xiàn)大的坑槽現(xiàn)象[1]?，F(xiàn)有研究表明[2-3]，在所有的瀝青路面損壞種類中，水損害目前已經(jīng)成為最大的損壞類型之一。2009年，長(zhǎng)安大學(xué)汪海年等用X-rayCT掃描了排水瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，根據(jù)掃描圖像分析了混合料內(nèi)部空隙的分布特征以及孔隙沿試件的碾壓方向的分布情況，研究發(fā)現(xiàn)排水瀝青混合料試件的空隙在空間上的分布并沒(méi)有規(guī)律，中部的空隙比兩端的空隙要小。2009年，高富強(qiáng)研究了雨水在排水瀝青路面的入滲規(guī)律，進(jìn)一步討論排水基層的排水特性。中南大學(xué)何要超研究了高速公路瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)在降雨工況下的非飽和入滲問(wèn)題。上世紀(jì)70年代，美國(guó)積極推廣排水瀝青路面的使用并制定相關(guān)設(shè)計(jì)方法，80年代排水瀝青路面在美國(guó)的鋪筑量已經(jīng)達(dá)到15000千米，且多用于州際公路，而且他們也認(rèn)為排水路面在抗車轍方面相比于其他路面具有優(yōu)越性，但當(dāng)時(shí)美國(guó)所用的粘結(jié)料是直溜瀝青，這種單一膠結(jié)料的使用并不適用于美國(guó)差異較大的氣候環(huán)境。因此上世紀(jì)80年代美國(guó)使用排水瀝青路面存在的主要問(wèn)題有：面層材料容易松散剝落，抗水損害能力不足，空隙容易堵塞而喪失排水功能。近年來(lái)，美國(guó)使用排水路面的級(jí)配的最大公稱粒徑逐漸變大，孔隙率增大，排水性能得到提高，另外，對(duì)混合料材料的改良也使得排水路面的路用性能得到改善。美國(guó)還制定新的設(shè)計(jì)方法和標(biāo)準(zhǔn)，空隙率控制在20%左右，并使用肯塔堡飛散試驗(yàn)和謝倫堡析漏試驗(yàn)來(lái)確定瀝青的用量范圍。日本對(duì)排水路面的研究雖然起步較晚，但目前卻是研究較為透徹的國(guó)家之一。日本在90年代初期成立了排水瀝青路面研究會(huì)并編寫了排水路面設(shè)計(jì)指南，將排水瀝青路面從前期調(diào)查到建成投入使用都做了詳細(xì)說(shuō)明與規(guī)定，提出了自己的設(shè)計(jì)方法和標(biāo)準(zhǔn)。日本排水瀝青路面的累積鋪筑面積已經(jīng)達(dá)到3000萬(wàn)m2，其技術(shù)的成熟源于瀝青結(jié)合料，日本自主研究出一種名為TPS的高黏改性劑，用這種高黏改性劑制作的高黏瀝青黏度很大，粘聚力也很強(qiáng)，而且有很強(qiáng)的耐久性，能夠在集料與集料的接觸面上形成較厚的瀝青膜，使得排水路面的性能得到很大改善。

1排水瀝青路面排水機(jī)理分析

排水瀝青路面的排水功能層一般指瀝青面層的上面層，排水功能層呈骨架-空隙結(jié)構(gòu)，與中面層之間有一層不透水的防水粘結(jié)層。防水粘結(jié)層有三個(gè)作用：第一，阻止排水功能層的雨水滲透到中、下面層及基層和墊層等，防止路面結(jié)構(gòu)發(fā)生早期水損壞，增加排水瀝青路面使用壽命；第二，排水瀝青混合料空隙率大，排水上面層與中面層的接觸面積較小，防水粘結(jié)層起到增強(qiáng)上面層與中面層的粘結(jié)強(qiáng)度作用；第三，防水粘結(jié)層具有良好的延伸性，能夠進(jìn)一步防止以及控制基層橫向開(kāi)裂引起的裂縫處滲水問(wèn)題。雨水降落到路表面，沿著路面綜合坡度的方向，通過(guò)排水表層空隙滲透至路面結(jié)構(gòu)外部附屬排水設(shè)施。雨水從路表面滲透至道路外部結(jié)構(gòu)，按時(shí)間順序經(jīng)歷三個(gè)階段。第一個(gè)階段為排水瀝青路面表層初步浸潤(rùn)階段，降雨初期，面層處于干燥狀態(tài)，降落到面層上的雨水對(duì)路面進(jìn)行初步浸潤(rùn)，此時(shí)排水表層的水力傳導(dǎo)度處于最大狀態(tài)；第二個(gè)階段為排水瀝青路面排水表層空隙填充階段，當(dāng)面層表面完全浸潤(rùn)后，雨水由于表面張力、毛細(xì)作用、自身重力的作用，逐步滲透并填充表面的各部分空隙，直到填充飽和，當(dāng)降雨強(qiáng)度逐漸增大時(shí)，降雨速率大于空隙填充速率，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)超滲產(chǎn)流；第三個(gè)階段為雨水在面層空隙間蓄積與滲流階段，當(dāng)降雨強(qiáng)度增大，排水表層達(dá)到最大持水能力后，雨水會(huì)在排水層間蓄積，并在排水層中沿路面綜合坡度方向形成橫向滲流，最后匯聚在道路外部結(jié)構(gòu)，若此時(shí)降雨強(qiáng)度大于排水表層的滲流強(qiáng)度，排水層達(dá)到極限水力傳導(dǎo)度，滲流會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)，來(lái)不及滲流的雨水會(huì)經(jīng)過(guò)路表面以表面徑流的方式排出，此時(shí)同時(shí)存在表層滲流和表面徑流，稱為飽和產(chǎn)流狀態(tài)。雨水從瀝青路面路表滲入排水表層分為兩個(gè)階段。第一階段為外界控制階段，當(dāng)降雨強(qiáng)度小于雨水在重力和毛細(xì)力作用下在排水表層之間的滲流能力，雨水在排水層之間的滲流速率等于外界來(lái)水速率，此時(shí)由外界降雨強(qiáng)度控制；第二階段為排水瀝青路面排水表層控制階段，降雨強(qiáng)度逐漸增大，排水表層空隙中雨水飽和程度逐漸更大，表層傳導(dǎo)水的能力同步減弱，當(dāng)外界來(lái)水速率剛好等于滲流速率的極限值時(shí)，路表面未出現(xiàn)徑流，排水層基本趨于飽和狀態(tài)，此時(shí)水力傳導(dǎo)度也基本趨于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值𝐾𝑠,稱為飽和水力傳導(dǎo)度，當(dāng)降雨強(qiáng)度繼續(xù)增大，排水層的滲流速率小于外界來(lái)水速率，開(kāi)始出現(xiàn)一部分雨水從路表面沿著路面綜合坡度排出，形成路表徑流，此時(shí)排水表層的下滲能力等于雨水的入滲速率，水力傳導(dǎo)度保持在𝐾𝑠不發(fā)生變化。水力傳導(dǎo)度與時(shí)間關(guān)系如圖1所示，圖中𝐾𝑡表示排水表層的瞬時(shí)水力傳導(dǎo)度，是一個(gè)變化值。當(dāng)降雨強(qiáng)度處于①區(qū)時(shí)，此時(shí)的給水速率大于排水瀝青混合料排水表層的瞬時(shí)水力傳導(dǎo)度，因此雨水將分成兩部分排出路面結(jié)構(gòu)，一部分通過(guò)排水表層的空隙下滲到防水粘結(jié)層之上，然后順著路面的綜合坡度方向，以滲流的方式排出路面結(jié)構(gòu)；另一部分由于不能及時(shí)下滲到路面結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，而從路表面沿著路面綜合坡度以表面徑流的方式排出，此時(shí)入滲速率等于排水表層的瞬時(shí)水力傳導(dǎo)度，屬超滲產(chǎn)流狀態(tài)。當(dāng)降雨強(qiáng)度處于②區(qū)時(shí)，此時(shí)的給水速率處于排水瀝青混合料排水表層瞬時(shí)水力傳導(dǎo)度與飽和水力傳導(dǎo)度之間，外界降雨首先是全部由排水表層空隙滲透至路面結(jié)構(gòu)外部，但隨著降雨歷時(shí)的增長(zhǎng)，排水表層內(nèi)飽和程度逐漸增加，表層內(nèi)傳導(dǎo)水的能力逐漸減弱，當(dāng)排水表層瞬時(shí)水力傳導(dǎo)度小于給水速率時(shí)，開(kāi)始有一部分雨水通過(guò)路面沿著路面綜合坡度方向排出路面結(jié)構(gòu)。當(dāng)降雨強(qiáng)度處于③區(qū)時(shí)，此時(shí)的給水速率小于排水瀝青混合料排水表層的飽和水力傳導(dǎo)度，不論降雨歷時(shí)如何增長(zhǎng)，雨水能夠全部下滲至排水表層排出路面，入滲速率恒定等于外界給水速率，路表面不可能產(chǎn)生漫流。

2排水瀝青路面排水設(shè)計(jì)

排水瀝青路面的主要功能是在滿足承載力要求的同時(shí)快速排出路表積水，但路面結(jié)構(gòu)的承載力與排水能力往往此消彼長(zhǎng)，相互矛盾，孔隙率越大，排水性能越好，但路面空隙過(guò)大往往是導(dǎo)致承載力不足的主要原因，所以在選定排水路面的孔隙率時(shí)必須保證結(jié)構(gòu)承載力滿足要求，而關(guān)于排水路面孔隙率與承載力之間的關(guān)系研究較少?！锻杆疄r青路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T190-2012）根據(jù)不透水層設(shè)置的位置不同，定義了三種結(jié)構(gòu)類型的排水路面：面層排水路面、半透式排水路面和全透式排水路面。2.1面層排水路面。面層排水路面（Ⅰ型）是將面層作為排水的主要功能層，在面層與基層之間設(shè)置封層，雨水隨著路面空隙浸入路面面層結(jié)構(gòu)內(nèi)部，再在封層與道路橫坡的作用下流向道路兩旁的排水設(shè)施，防止水進(jìn)一步滲流到下面的結(jié)構(gòu)層，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。這種類型的排水路面能快速排出路面積水，主要適用于需要減少降雨時(shí)的路面徑流量和降低行車噪聲的新建、改建路面。2.2半透式排水路面。半透式排水路面（Ⅱ型）指道路的面層和基層都具有排水功能，即封層設(shè)置在基層與墊層之間，雨水降落到路面滲入基層后橫向排出，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。這種路面不僅能排水還具有儲(chǔ)水功能，可以在下大暴雨時(shí)減緩道路排水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)等功能，提高基層與面層的整體性，可以減少基層反射裂縫的產(chǎn)生，主要適用于暴雨時(shí)需要緩解城市排水系統(tǒng)排水壓力的城市新建、改建路面。2.3全透式排水路面。全透式排水路面（Ⅲ型）指整個(gè)路面結(jié)構(gòu)都具有透水功能，在降雨結(jié)束后的一段時(shí)間內(nèi)，雨水通過(guò)路面結(jié)構(gòu)滲入土基，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。這種排水路面可以補(bǔ)充地下水資源，改善道路周邊的水平衡和生態(tài)條件，對(duì)保護(hù)環(huán)境起到積極作用，主要適用于交通荷載不大的公園、小區(qū)、停車場(chǎng)、廣場(chǎng)等道路。

3結(jié)語(yǔ)

1）多雨地區(qū)瀝青路面進(jìn)行防水損害排水設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合材料的性質(zhì)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。2）多雨地區(qū)應(yīng)做防排水綜合設(shè)計(jì)，盡可能避免瀝青路面因雨水侵蝕而發(fā)生早期破壞。3）瀝青路面排水設(shè)計(jì)應(yīng)考慮排水結(jié)構(gòu)的功能、排水能力及環(huán)境，做到實(shí)際與設(shè)計(jì)相結(jié)合，有效避免雨水侵害。

作者:韓昊 單位:中交二航局第二工程有限公司