多雨地區(qū)排水瀝青路面設(shè)計研究
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摘要：水損害是造成我國瀝青路面損害的主要原因之一，大量的國內(nèi)外水損害實驗資料表明，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)計出發(fā)，提出一套適合多雨地區(qū)瀝青路面排水的設(shè)計方案，可為多雨地區(qū)瀝青路面排水設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞：瀝青路面；水損害；機理；排水設(shè)計
瀝青路面水損害是指瀝青路面在經(jīng)過長期的水浸泡或者在溫度變化條件下經(jīng)過多次凍融循環(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，最終導(dǎo)致瀝青從集料表面剝離開，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有規(guī)律，中部的空隙比兩端的空隙要小。2009年，高富強研究了雨水在排水瀝青路面的入滲規(guī)律，進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題。上世紀70年代，美國積極推廣排水瀝青路面的使用并制定相關(guān)設(shè)計方法，80年代排水瀝青路面在美國的鋪筑量已經(jīng)達到15000千米，且多用于州際公路，而且他們也認為排水路面在抗車轍方面相比于其他路面具有優(yōu)越性，但當時美國所用的粘結(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差異較大的氣候環(huán)境。因此上世紀80年代美國使用排水瀝青路面存在的主要問題有：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，美國使用排水路面的級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。美國還制定新的設(shè)計方法和標準，空隙率控制在20%左右，并使用肯塔堡飛散試驗和謝倫堡析漏試驗來確定瀝青的用量范圍。日本對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家之一。日本在90年代初期成立了排水瀝青路面研究會并編寫了排水路面設(shè)計指南，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說明與規(guī)定，提出了自己的設(shè)計方法和標準。日本排水瀝青路面的累積鋪筑面積已經(jīng)達到3000萬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，而且有很強的耐久性，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)層起到增強上面層與中面層的粘結(jié)強度作用；第三，防水粘結(jié)層具有良好的延伸性，能夠進一步防止以及控制基層橫向開裂引起的裂縫處滲水問題。雨水降落到路表面，沿著路面綜合坡度的方向，通過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)，按時間順序經(jīng)歷三個階段。第一個階段為排水瀝青路面表層初步浸潤階段，降雨初期，面層處于干燥狀態(tài)，降落到面層上的雨水對路面進行初步浸潤，此時排水表層的水力傳導(dǎo)度處于最大狀態(tài)；第二個階段為排水瀝青路面排水表層空隙填充階段，當面層表面完全浸潤后，雨水由于表面張力、毛細作用、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，當降雨強度逐漸增大時，降雨速率大于空隙填充速率，此時會出現(xiàn)超滲產(chǎn)流；第三個階段為雨水在面層空隙間蓄積與滲流階段，當降雨強度增大，排水表層達到最大持水能力后，雨水會在排水層間蓄積，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)，若此時降雨強度大于排水表層的滲流強度，排水層達到極限水力傳導(dǎo)度，滲流會達到飽和狀態(tài)，來不及滲流的雨水會經(jīng)過路表面以表面徑流的方式排出，此時同時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階段。第一階段為外界控制階段，當降雨強度小于雨水在重力和毛細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水速率，此時由外界降雨強度控制；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，當外界來水速率剛好等于滲流速率的極限值時，路表面未出現(xiàn)徑流，排水層基本趨于飽和狀態(tài)，此時水力傳導(dǎo)度也基本趨于一個相對穩(wěn)定的值𝐾𝑠,稱為飽和水力傳導(dǎo)度，當降雨強度繼續(xù)增大，排水層的滲流速率小于外界來水速率，開始出現(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)度與時間關(guān)系如圖1所示，圖中𝐾𝑡表示排水表層的瞬時水力傳導(dǎo)度，是一個變化值。當降雨強度處于①區(qū)時，此時的給水速率大于排水瀝青混合料排水表層的瞬時水力傳導(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，此時入滲速率等于排水表層的瞬時水力傳導(dǎo)度，屬超滲產(chǎn)流狀態(tài)。當降雨強度處于②區(qū)時，此時的給水速率處于排水瀝青混合料排水表層瞬時水力傳導(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，但隨著降雨歷時的增長，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，當排水表層瞬時水力傳導(dǎo)度小于給水速率時，開始有一部分雨水通過路面沿著路面綜合坡度方向排出路面結(jié)構(gòu)。當降雨強度處于③區(qū)時，此時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，不論降雨歷時如何增長，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
排水瀝青路面的主要功能是在滿足承載力要求的同時快速排出路表積水，但路面結(jié)構(gòu)的承載力與排水能力往往此消彼長，相互矛盾，孔隙率越大，排水性能越好，但路面空隙過大往往是導(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。《透水瀝青路面技術(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水功能，可以在下大暴雨時減緩道路排水系統(tǒng)的負擔等功能，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）指整個路面結(jié)構(gòu)都具有透水功能，在降雨結(jié)束后的一段時間內(nèi)，雨水通過路面結(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充地下水資源，改善道路周邊的水平衡和生態(tài)條件，對保護環(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、廣場等道路。
3結(jié)語
1）多雨地區(qū)瀝青路面進行防水損害排水設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合材料的性質(zhì)進行綜合設(shè)計。2）多雨地區(qū)應(yīng)做防排水綜合設(shè)計，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)計應(yīng)考慮排水結(jié)構(gòu)的功能、排水能力及環(huán)境，做到實際與設(shè)計相結(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