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水泥混凝土路面结构排水质量评价 摘要 裂缝和接缝是降雨进入到水泥混凝土路面结构的主要途径。进入路面结构的 水是造成或加速路面破坏的首要原因。及时地排除进入路面结构的水能有效改善 路面的使用性能，并提高路面的使用寿命。评价路面结构排水质量的传统方法是 基于饱和渗流理论计算结构层的排水时间。然而分析发现，在降雨的大部分时间 里和降雨结束后路面结构都处于非饱和渗流状态。非饱和土中的驱动势为基质吸 力和重力。笔者从考虑非饱和渗流的角度，应用非饱和渗流理论计算分析路面结 构的排水时间，并对试验路排水路面结构的排水效果进行评价，本文主要从以下 两个方面开展研究工作： ( 1 ) 对试验路的原始数据进行处理，取得基本的排水性能指标；通过路面调 查，预估试验路的裂缝发展情况；进行简单的渗水试验，确定试验路的表面水渗 入率数值。在以上研究的基础上，对降雨期间试验路三种排水路面结构进行稳态 流评估。 ( 2 ) 运用非饱和渗流理论的基本知识，重点研究非饱和渗透系数与体积含水 量之间的关系，选择合适的非饱和渗透系数函数模型。借鉴a a s h t o 计算路面结 构的排水时间公式，考虑划分排水程度，将非饱和渗透系数引入到公式中，以达 到基于非饱和渗流理论对公式进行改进的目的。为方便计算，编制程序对排水时 间进行计算，并形成简单的程序界面，对任意组合的路面结构的排水时间都可以 进行计算。采用a a s h t o 的评价指标k ( 路面结构排水5 0 所需要的时间) ，对 三个排水方案进行饱和流与非饱和流的计算。结果表明，饱和渗流理论高估了路 面结构的排水效果。通过三个排水方案之间排水时间的对比，确定排水效果最好 的方案。 关键词：路面结构；表面水渗入率；非饱和渗流；非饱和渗透系数；排水时间； 程序计算 h ab s t r a c t t h ec r a c ka n djo i n ta r et h em a i nw a yt oc o m ei n t oc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t s u b s u r f a c ef o rt h er a i n f a l l i n a d e q u a t es u b s u r f a c ed r a i n a g eo fp a v e m e n th a sb e e n i d e n t i f i e da sap r i m a r yc a u s eo fc a u s i n go ra c c e l e r a t i n gp a v e m e n td a m a g e e x c l u d i n g t h ew a t e rc o m i n gi n t ot h ep a v e m e n tc a ni m p r o v es u r f a c ep e r f o r m a n c ea n dp r o l o n g t h ep a v e m e n ts e r v i c el i f e t h et r a d i t i o n a lm e t h o dt oe v a l u a t ed r a i n a g eq u a l i t yi st h e t i m et od r a i nb a s e do ns a t u r a t e df l o wt h e o r y ，h o w e v e r ，d u r i n gt h em o s tt i m eo ft h e r a i n f a l la n da f t e rt h er a i n f a l l ，t h es u b s u r f a c et e n dt ob eu n s a t u r a t e d t h ef l o wt h r o u g h t h eu n s a t u r a t e ds o i li saf u n c t i o no fm a t r i xs u c t i o na n dg r a v i t y b a s e do nu n s a t u r a t e d f l o wt h e o r y ，t h et i m et od r a i ni sc a l c u l a t e d ，a n dt h ed r a i n a g eq u a l i t yo ft h es u b s u r f a c e p r o j e c t si se v a l u a t e df o rt h et e s tr o a d t h ep r i m a r yc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) o r i g i n a ld a t af r o mt h et e s tr o a di sp r o c e s s e dt oa c h i e v et h eb a s i cd r a i n i n g i n d e x ；t h ec r a c kd e v e l o p m e n to ft h et e s tr o a dp a v e m e n ti s p r e d i c t e db yc r a c k i n v e s t i g a t i o n ；s u r f a c ei n f i l t r a t i o nr a t e i sd e t e r m i n e df o rt h et e s tr o a db y s i m p l e i n f i l t r a t i o nt e s t ；t h r e ed r a i n e dp a v e m e n ts t r u c t u r e s s t e a d yf l o wi se v a l u a t e db a s e do n a b o v er e s e a r c h ( 2 ) u n s a t u r a t e df l o wt h e o r yi sa p p l i e d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nu n s a t u r a t e d p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ta n dv o l u m e t r i cw a t e rc o n t e n ti st h ek e yr e s e a r c ha n dt h e n p r o p e rf u n c t i o nm o d e li sc h o s e n t i m et od r a i nc a l c u l a t i o nf o r m u l ao fa a s h t oi s u s e df o rr e f e r e n c ei nt h et h e s i s ，d e g r e eo fd r a i n a g ei n t os h o r td r a i n a g ei n t e r v a l si s d i v i d e d ，a n du n s a t u r a t e dp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ti si n t r o d u c e di n t ot h ef o r m u l a ，s o t h ep u r p o s et oi m p r o v et h ef o r m u l ab a s e do nu n s a t u r a t e df l o wt h e o r yi sa t t a i n e d f o r c o n v e n i e n tc a l c u l a t i o n ，t h et i m et od r a i ni sc a l c u l a t e db yp r o g r a m m i n ga n ds i m p l e p r o g r a mi n t e r f a c ei sd e s i g n e dt oc a l c u l a t ea n yc o m b i n a t i o no ft i m et od r a i nf o ra n y p a v e m e n ts u b s u r f a c e u s i n ge v a l u a t i o ni n d e xo fa a s h t o t 5 0 ( 5 0 o fd r a i n a g e ) ，t h e t i m et od r a i no ft h r e ed r a i n a g ep r o j e c t sc a l c u l a t e db a s e do nu n s a t u r a t e df l o wt h e o r y w i l lb eg e n e r a l l yl o n g e rt h a nt h a te v a l u a t e du n d e rs a t u r a t e df l o wa s s u m p t i o n t h e s a t u r a t e df l o wt h e o r yo v e r e s t i m a t e sd r a i n a g ee f f e c t t h r o u g hc o m p a r i n gt h et i m et o d r a i n ，t h eb e s td r a i n a g ep r o je c ti sd e t e r m i n e d k e yw o r d s ：p a v e m e n ts u b s u r f a c e ；s u r f a c ei n f i l t r a t i o nr a t e ； u n s a t u r a t e d p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ；t i m e t o m u n s a t u r a t e d f l o w ； d r a i n ；p r o g r a m c a l c u l a t i o n 水泥混凝土路面结构排水质量评价 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 伶呻试 醐：1 “一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：彳含矿e i 翻 导师签名：煎参戳 日期： 日期：v 心 月月 一3 r年年 、奸、毗7 硕一 ：学位论文 1 1 问题的提出 第1 章绪论 1 1 1 水泥混凝土路面水损坏 水泥混凝土路面的使用寿命一般长达2 0 5 0 年，但是，从水泥混凝土路面的 使用情况来看，大部分都没有很好地服务到设计使用年限，而是出现了各种不同 程度的早期破坏，如唧泥、错台和开裂，严重地影响了道路的使用性能，缩短了 道路的使用寿命，降低了道路的服务水平。 国内外大量路面损坏状况调查和使用经验表明，导致上述现象产生的原因是 进入到路面结构的水。水可以通过裂缝、接缝、路肩和中央分隔带渗入到路面结 构内部。进入水泥混凝土路面结构层内部的水分，若不能尽快向下或向两侧排除 出去，就会冲刷基层，使其强度下降，变形增加，从而使路面结构的承载力降低， 缩短使用寿命。特别是在层间结合空隙处，若较长时间存在空隙自由水，在重载 交通和高速行车的反复不断作用下，这些自由水就会形成高水压力和高流速的水 流，冲刷基层材料并从缝隙处向外喷出带冲刷材料的泥浆，水泥混凝土路面出现 错台和板底脱空等病害，压力水还增加一个与荷载应力相当作用强度的破坏作用 力，降低面层材料的断裂性能，从而使整个路面结构的使用性能变差，大大缩短 路面使用寿命( 图1 1 ) 。 挠曲 图1 1 水泥混凝土路面水损坏原理 但是，如果基层是多孔隙材料( 小于0 4 m m 的粒料为0 ) ，则孔隙水的压 力很低；如果基层中含有细料( 小于0 4 m m 的粒料大于5 ) ，则孔隙水压力大 于2 0 k p a ，且能移动1 0 m m 以上的细料颗粒。通过对水泥混凝土路面的使用性能 进行调查，分析基层类型对使用性能的影响，结果发现采用水泥处治粒料或水泥 土作基层的路面使用性能很差，出现了很多唧泥、错台和开裂病害，而贫混凝土 基层的路面也有一定数量的病害，特别是在排水不良的情况下更是如此。在各类 水泥混凝十路面结构排水质量评价 基层中，采用透水基层的路面使用性能最好，基本上未出现错台或开裂。由此说 明，即便是基层的强度和水稳性再好，也难以抵御水对路面结构的侵害。因此， 为了减少路面病害的发生，改善路面的使用性能，提高路面的使用寿命，必须对 路面的排水问题给予足够的重视。 1 1 2 减少水泥混凝土路面水损坏的措施 ( 1 ) 拦截：对大量的地面径流采用拦截，并通过路边沟进行排除。 ( 2 ) 采用对水不敏感、抗水侵蚀能力强的材料，增强路面结构层的抗侵蚀能 力。 ( 3 ) 排除进入路面结构的水：设置排水基层及边缘排水系统。 上述三种措施中，前两种措施虽然可以减缓水损坏现象的发生，但是随着时 间的推移，水的破坏作用将日益明显。以长远眼光看，设置排水结构层是最经济 有效的方法。 1 2 研究水泥路面结构排水的意义及评价方法 1 2 1 研究意义 由于水泥混凝土的密实不透水性( 渗透系数为1 0 。8 数量级) ，不考虑降雨通过 面层材料颗粒间的孔隙渗入到结构层中，而在水泥混凝土路面使用过程中，接缝 填缝料的损坏和各种裂缝的出现，很难避免降雨从这些接缝和裂缝渗入到路面结 构内，从而降低路面的使用性能。设置路面内部排水系统，将积滞在路面结构内 的降水迅速、有效地排出到路面和路基结构外，有助于改善路面的使用性能，并 大大提高其使用寿命1 。 美国的r a y 在a a s h t o 试验路的研究发现，结构内过多的水分是造成水泥 混凝土路面破坏的主要原因，路面内部存在自由水时，每一次重复荷载产生的结 构损坏比路面干燥时要多4 0 倍以上瞳1 。c e d e r g r e n 1 通过对设置排水和不设置排水 系统的已建路面进行损坏状况调查。调查显示雨量丰富的地区，在水流和车载共 同作用下，不排水路面的损坏程度高于排水性能好的路面1 5 倍。 1 9 7 5 年，美国密歇根克雷地区的1 0 号公路上铺筑了不同基层的水泥混凝土 路面试验路，以评价不同基层水泥混凝土路面的使用性能，基层包括未处治的级 配集料( a g g ) 、透水的沥青处治集料( p a t b ) 和密实式沥青处治集料( d a t b ) 。 检测结果表明：d a t b 路段使用性能最差，路面接缝碎裂达4 7 8 7 ，面板横向 裂缝严重，最严重的达9 9 条k m 透水的p a t b 路段使用性能最好，接缝碎裂仅 9 ，无横向裂缝；同样透水的a g g 路段的使用性能也较好h 1 。 美国明尼苏达州运输部进行的现场试验表明，排水基层的排水量占降水量的 2 硕l 学位论文 2 5 - - - 4 0 。并且，透水性排水基层通常在降雨结束后两小时内排走9 5 以上的渗 水。 加州大学b e r k l e y 分校的研究表明：设置了内部排水系统的水泥混凝土路面 寿命至少比不排水的路面长5 0 哺1 。美国加利福利亚州的研究表明：该州每年建 造的路面，采用内部排水设施所增加的资金投入，可以很快地从路面使用性能的 提高、使用寿命的增加和养护工作的减少中得到补偿。 正是由于以上学者和机构的研究，美国、日本和英国等发达国家对公路排水 问题积累了大量的经验且考虑比较周到，对路基路面综合排水设计的必要性和重 要性有了一个明确统一的认识。日本道路协会制定了道路土工排水设施指南， 而美国在1 9 7 3 年便由联邦公路局组织制定了路面结构内部排水设计指南。到了 1 9 8 6 年，经过1 0 余年的使用经验和研究成果的积累，美国a a s h t o 在路面设计 中把路面结构的排水质量作为一项设计因素考虑在内，并提出了路面内部排水设 计方案和设计指标。目前，路面结构内部排水系统已经成为一项常用的措施，在 西方国家得到广泛应用。 在我国早期的道路建设中，对地面排水和路基排水问题给予了一定的重视， 却忽视了基层路肩排水( 路面结构排水) 的重要性，而过分强调改善路面结构的 强度，路面结构的设计方法也在习惯上不考虑路面结构排水和不设置有效的防水 层。恰恰是路面结构排水对路面的使用性能和使用寿命具有举足轻重的作用。近 年来，大量的水损坏现象让更多的国内道路建设者认识到路面结构排水的重要性。 1 2 2 排水质量评价方法 降雨从接缝和裂缝渗入到路面结构并完全排出经历三个阶段： ( 1 ) 在一定的降雨强度和降雨历时下，水从裂缝和接缝开始渗入路面结 构，路面结构开始排水； ( 2 ) 降雨过程中，路面结构达到饱和状态，排水达到稳态流量状态； ( 3 ) 雨停后水从路面结构中排出。 路面结构内部排水系统的排水能力有两个设计要求： 稳态流量必须大于设计路面渗水量； 非稳态流量必须使水在每一次降水过程之后能够迅速排除。 ( 1 ) 稳态流量：降水过程中排水系统的排水流量，可采用达西定律计算： q = k a = a h ( 1 1 ) 式中：g 一纵向每延米排水层的稳态流量 m 3 ( d m ) ； k 一排水层渗透系数( m d ) ； ，一渗流路径的水力坡度； 彳一每延米排水层的过水断面面积( r n 2 ) ； 水泥混凝七路面结构排水质量评价 厅一排水层厚度( m ) 。 ( 2 ) 非稳态流量：降水结束后排水系统的排水流量，可用雨停后排水程度来 定义，数值可用水在排水层内的退水时间t 来衡量。t 就是世界各国对路面结构排 水效果的定量评价，也是进行排水路面结构设计的标准。国内规范对于退水时间 f 用下式计算： ，：l( 1 2 ) 3 6 0 0 v , 式中：f 一渗流时间( h ) ； 厶一渗流路径长度( m ) ，采用下式计算： 愿 ( 1 3 ) b 为单坡路面宽度，之，j i i 为纵坡和横坡。 u 一渗流速度( m s ) ，采用下式计算： 也：墨董垡 ( 1 4 )也= 二_ = 二li qj 4 仇 k 为排水层材料的渗透系数，以为有效空隙率。 国内的排水设计规范规定：渗入水在路面结构内的最大渗流时间，冰冻地区 不应超过1 h ，其他地区不应超过2 h ( 重交通) 4 h ( 轻交通) ，渗入水在路面结 构内的渗流路径长度不宜超过4 5 m 6 0 m 哺3 。因此国内的研究人员在排水路面结构 设计和对排水结构性能评估上都依据以上观点。 国外研究者将路面结构排水程度为5 0 所需时间( ，5 0 ) 作为评价路面排水性 能等级分级标准。由此a a s h t t o ( 1 9 8 6 ) 设计指南将排水质量分为优、中、良、 差和很差五个等级，见表1 1 n 3 。 表1 1 路面结构排水质量等级 ( a a s h t o1 9 9 3 ) 排水性能排水时间( 排水5 0 ) 优 良 中 差 很差 2 小时 2 天 1 周 1 月 不排水 在a a s h t o 设计方法中，通过对刚性路面采用排水系数c d ，把排水质量的 等级影响7 1 入到路面结构设计中。c d 按渗入水在路面结构内排除时间，。( 排水质 4 硕l 学位论文 量) 和一年内路面结构处于接近饱和状态的时间( 与年降水量和降水系数有关) 取值，建议值见表1 2 。 表1 2 排水系数( c d ) 建议值 ( a a s h t o1 9 9 3 ) 排水等级 路面结构处于接近饱水状态的时间百分比( ) 2 5 1 2 3 评价方法局限性 排水结构层材料的透水性能研究是路面结构排水质量研究的基础，近年来， 国内不少研究人员在路面排水设计和新型排水材料( 多孔隙排水材料) 的应用方 面开展了很多工作，取得了许多新的成果。但是这些研究都是基于饱和渗流理论， 排水设计最根本的控制指标为饱和渗透系数，渗透系数值越大，路面结构的排水 性能越好油1 。 基于饱和渗流理论的排水质量评价及排水路面结构的设计，认为在降雨期间 及降雨之后路面结构都处于饱和状态，路面材料的渗透系数为常数，即饱和渗透 系数。事实上，在降雨过程中排水层含水量达到饱和并形成稳态流量时，路面结 构才具备饱和土性质。雨停后，排水层排水已处于非饱和状态。对于给定级配的 材料，非饱和渗透系数是基质吸力或含水量的函数。因此，路面结构排水质量的 评价方法不能真实反映路面结构排水的实际情况。 非饱和土体中除了固体颗粒还有水和空气，为三相介质。在饱和流中，渗入 水的渗透性能除了和流体本身性质有关，仅考虑了流体与骨架之间的阻力。但在 非饱和状态下，除了上述因素外，还必须考虑水与空气间的阻力。正是由于空气 的存在，使得地面渗入水的渗透阻力加大，渗透性能减小，也就是渗透系数值的 减小。因此现有的基于饱和渗流理论的路面结构排水质量的评定要偏不安全。 1 3 国内外研究概况 目前，美国、英国、日本等发达国家在路面结构排水方面积累了大量的经验， 路面结构排水在路面结构的设计和施工中已作为一项措施得到广泛的应用。虽然 水泥混凝十路面结构排水质量评价 以往对路面结构排水性能的评估片面地在饱和渗流理论的基础上进行，但是随着 对非饱和流理论的更深入认识和计算机的发展，近年来使用计算机模拟分析路基 路面排水特性的研究工作逐渐增多。 a r i z a 1 基于非饱和土理论，采用s e e p w 软件对明尼苏达州三条公路进行非 饱和渗流模拟。通过对非饱和土的各个参数进行敏感性分析指出，土水特征曲线 进气值、斜率、初始地下水位、雨型等输入参数对公路断面渗流场有很大影响。 结论指出，比较结构层的饱和与非饱和排水的差异，基于饱和渗流理论的排水时 间大大小于实际排水时间，建议将非饱和渗流理论引入公路排水设计中。 s t o r m o n t n 叫基于非饱和土理论，采用v s 2 d h i 软件对典型的路面结构进行渗 流分析，研究表明路面结构层降雨渗入在大部分情况下为非饱和渗流。计算假定 入水只通过路肩接缝和路面裂缝渗入到路面结构层中，考虑设置地下排水系统和 边缘排水系统。结果指出，基于排水基层的饱和渗透系数的排水设计不可靠，路 肩的裂缝处于边缘排水沟顶面对其排水性能影响很大。建议排水基层设计和排水 质量评估应基于非饱和流理论。 国内对路面结构排水的研究起步较迟，成果也不多，现有的有关规范对路面 结构内部排水只作了原则性规定，设计往往按经验进行，对排水结构层的性能评 估具有片面性。 我国对路面结构排水系统的研究始于1 9 9 0 年，同济大学在江西省萍乡市修建 了一段水泥混凝土路面的内部排水试验路。之后，同济大学对水泥混凝土路面进 行研究，提出了排水系数的计算方法和计算结果。 郑木莲3 对多孔混凝土基层进行研究，通过制作渗透仪，对渗透系数进行测 试，对渗透系数、孔隙率等排水性能指标及之间关系进行了系统分析，并提出了 多孔混凝土基层水泥混凝土路面结构设计方法。 田波n 副等通过理论分析对贫混凝土基层稳定流和非稳定流进行研究，提出了 不同坡度、不同孔隙率时的基层排水时间和排水百分比的回归公式，为最终确定 路面退水时间提供了依据。 以上的研究都是基于饱和渗流理论完成的，非饱和渗流理论还没有在路面结 构排水方面得到很好的应用，而主要集中于边坡降雨稳定性及路基土排水问题的 研究上。 刘建华3 1 从路基湿度对路基路面使用性能的影响出发，以非饱和土理论为基 础，采用渗流有限元方法对几种具有代表性的公路渗沟进行分析，并与现行计算方 法所得结果进行比较。由于没有考虑非饱和土的渗流情况，现行方法低估了渗流流 量且提出的饱和一非饱和渗流有限元法得到了工程实例的进一步验证。指出现行 公路排水设计方法主要应从设计理论基础、材料设计参数与计算方法和手段三个 方面进行改进。 6 硕+ l ：学位论文 魏云杰n 4 3 等以半挖半填路基为例，讨论了各类地质单元与路基系统的作用及 路基系统内部地下水运动特征，着重分析了地下水对路基边坡稳定性的控制作用， 通过敏感性分析，阐明了降低路基边坡地下水位的必要性，研究了地下水对路基 系统的作用机理；建立了路基排水的数学模型，对影响路基排水的降雨强度、渗 沟间距、排水时间等因素进行了敏感性分析；通过对路基系统渗透系数、渗入系 数、降雨量及初始水头的不同取值，运用m o d f l o w 软件对排水效果进行了模拟； 通过工程实例，验证了路基排水设计方案的合理性。 赵江n 引采用s e e p w 软件对十九种不同的路基路面防排水方案在四种不同降 雨强度以及不同历时( 降雨期间和降雨停止后) 条件下的渗流场分布规律进行了 计算和比较分析。结论指出当降雨强度比较小时，路面结构层中的压力水头是随 着降雨强度的增大而增大，在路肩和路面结构层下方均为相同的强透水填料的情 况下，路面结构层的横向渗流要比路面结构层渗入路床的竖向渗流量大很多。建 议在路面结构层中设置渗沟，以有效消散路面和路基水。 赵鸿铎n 6 1 等根据非饱和土的渗流理论，采用有限元软件v s 2 d i 对不同宽度、 不同降雨强度、不同降雨历时下的公路中央分隔带渗入规律及对路基路面的影响， 进行系统的对比分析。结果表明不同宽度的中央分隔带具有比较接近的渗水规律， 但由于渗水量的不同，导致对路面结构的影响范围不一样。渗入水的横向扩散对 两侧路面结构的影响会超过3 m ，竖向渗透将影响2 4 m 范围内的路基土湿度。建 议对中央分隔带应该同时重视表面排水和内部隔、排水。 综上所述，国内外将非饱和渗流理论应用于路面结构排水处于起步阶段，在 这方面还需要进一步的深入研究。应用非饱和渗流理论计算排水时间，用以评价 路面结构的排水质量更加符合路面结构排水情形。 1 4 主要研究内容 本文依托湖南省普通干线公路典型路面结构试验路一竹城试验路，对试验方 案不同类型的路面结构进行分析，取得基本的排水参数指标。通过理论分析，在 非饱和流理论的基础上，主要探讨计算降雨结束后结构层的排水时间，并根据 a a s h t o 的评价标准有效地评价水泥路面结构排水质量，并对试验路各种方案进 行排水效果的对比。 本文主要研究工作： ( 1 ) 水泥混凝土路面表面水渗入率的确定：表面水渗入率与接缝和裂缝的密 度、宽度、降雨强度和历时有很大关系，确定试验路的表面水渗入率对于降雨过 程中结构层稳态流量的分析有重要作用。 ( 2 ) 处理试验路的原始数据，对不同路面结构层的饱和渗透系数、有效空隙 率等基本的排水性能指标进行研究分析。 水泥混凝十路面结构排水质量评价 ( 3 ) 运用非饱和渗流理论，通过理论分析和试验数据得出路面结构内部排水 质量指标与水力传导系数的关系。 ( 4 ) 比较饱和流评价指标与非饱和流计算结果的差异，并对试验路的路面结 构排水性能进行分析比较。 硕 ：学位论文 2 1 试验路概况 第2 章排水路面结构试验路 竹市至城步公路采用二级公路技术标准，计算行车速度8 0 k m h ，路基宽度 1 5 m ，路面宽度8 m 。试验路段长度4 k m ，安排在竹城公路k 3 5 + 0 0 0 k 3 9 + 0 0 0 ， 共设置了四种路面结构方案，每种结构的长度为l k m 。 其中，一种方案基层和底基层材料都是密级配水泥稳定碎石，但是在板与基 层之间设置了0 5 c m 的乳化沥青稀浆封层和l c m 同步碎石封层。路肩采用级配碎 石底基层，并应按一定间距设置泄水孔。从接缝和裂缝进入到路面结构层的水不 渗入到基层，而沿着板与封层的空隙流入路肩层排出。因此，该方案的设置旨在 改善路面结构的防水、防裂效果。虽然随着路面使用时间的增长，封层材料的老 化难以防止水进入到路面结构内部，但是难以量化此复杂的过程，论文中对此防 水结构方案的排水质量不予研究。 试验路另外三种方案是排水路面结构( 图2 1 ) 。方案一在基层材料上用多孔 隙水泥稳定碎石层取代传统的密级配材料作为排水层，底基层采用密级配的水泥 稳定碎石材料。为了防止进入到基层的水分继续下渗到排水不良的底基层，在两 层之间设置了0 5 c m 乳化沥青稀浆封层。方案二与方案三的基层和底基层都采用 了透水性材料以加强路面结构的排水。同时，为防止混凝土面层浇注过程中，水 泥浆下渗堵塞排水基层之孔隙，在三种方案基层上设一层透水土工布。路肩部位 排水系统采用级配碎石作为排水材料，同时在边沟内侧按每l0 m 间距设置直径 5 0 m m 泄水孔，以排除路面结构内水分。 a ) 排水路面结构方案一 图2 1 试验路排水路面结构方案 9 水泥混凝十路面结构排水质量评价 b ) 排水路面结构方案二 c ) 排水路面结构方案三 续图2 1 试验路排水路面结构方案 2 2 结构层材料组成及力学性能 2 2 1 排水结构层材料组成 2 2 1 1 多子l 隙水泥稳定碎石材料组成 试验路多孔隙水泥稳定碎石( 设计强度4m pa ) 采用p 0 3 2 5 水泥，水泥剂量 为1 0 8 ，施工配合比为：9 5 3 1 5 m m ：4 7 5 9 5 m m ：4 7 5 m m 以下石屑= 6 4 ： 2 7 ：9 ，水灰比为0 4 2 。矿质集料组成中以9 5 m m 粒径代表粗集料，其通过率 为3 5 3 ；以2 3 6 m m 代表细集料，其通过率为5 3 ；0 0 7 5 m m 筛孔通过率为0 1 。 2 2 1 2 多子l 隙水泥混凝土材料组成 l m 3 多孔隙水泥混凝土中材料用量为：p 0 4 2 5 水泥：集料：水= 2 0 0 k g ：1 7 7 0 k g ： 8 4 k g ，矿质集料组成的关键筛孔大小及筛孔通过率与多孔隙水泥稳定碎石材料相 同。 l o 2 2 1 3 级配碎石材料组成 级配碎石施工配合比为9 5 3 1 5 m m 4 7 5 9 5 m m ：4 7 5 m m 以下石屑= 5 0 ： 2 5 ：2 5 。矿质集料组成中，9 5 m m 筛孔通过率为4 9 2 ；2 3 6 m m 筛孔通过率 为1 4 3 ；0 6 m m 筛孔通过率为5 2 ；0 0 7 5 m m 筛孔通过率为o 2 。 2 2 2 材料力学性能 2 2 2 1 多孔隙水泥稳定类材料 用作排水基层的多孔隙水泥稳定类材料( 包括多孔隙水泥稳定碎石和多孔隙 水泥混凝土) 应满足力学方面的要求：具有一定的强度，应支持面板承受行车荷 载的作用，试验路参照高等级公路半刚性基层的要求，选用7 d 抗压强度不低于 4 m p a 作为设计标准。 多孔隙水泥稳定类材料按照实验室确定的试验级配及水泥用量进行施工，现 场取样制作矽1 5 x 1 5 e m 圆柱体试件( 多孔隙水泥稳定碎石) 和1 5 x 1 5 1 5 c m 立方 体试件( 多孑l 隙水泥混凝土) ，养护6 天，浸水1 天，测量无侧限抗压强度，结果 如表2 1 。 从表中数据可以看出，试验路多孔隙水泥稳定材料的7 d 抗压强度符合规范要 求。 表2 1 多孔隙水泥稳定材料7 d 抗压强度 2 2 2 2 级配碎石 决定级配碎石材料层力学性质的主要参数是弹性模量( 或回弹模量) 、抗剪强 度和抗永久变形能力。其中，高的弹性模量用以提供良好的荷载分布性质。试验 路排水路面结构方案二底基层和方案三基层、底基层材料是级配碎石，现场运用 承载板法测定级配碎石层层顶抗压回弹模量，数据见表2 2 。 表2 2 试验路级配碎石层顶回弹模量值 水泥混凝十路面结构排水质量评价 路基经过填隙碎石处理，回弹模量得以提高。经测量方案二与方案三的路基回弹 模量代表值分别为7 9 2 m p a 和6 3 8 m p a 。根据水泥混凝土路面设计规范对基层层 顶当量回弹模量的计算方法n7 1 ，反算求得各层级配碎石材料的回弹模量代表值分 别为：方案二底基层级配碎石：5 6 0 m p a ；方案三底基层级配碎石：9 8 0 m p a ；方 案三基层级配碎石：4 4 0 m p a 。规范对于级配碎石抗压回弹模量的建议值为：做底 基层用时模量范围为2 0 0 2 5 0 m p a ，做基层用模量范围为2 5 0 3 0 0 m p a 。表列试验 数据与规范建议值相比较，级配碎石层材料的回弹模量远大于建议值，这说明， 两个方案的级配碎石层能够提供良好的荷载分布。 2 3 结构层材料排水性能指标 排水层材料应具备足够的力学强度以支承面层下传的行车荷载，同时要具有 较好的透水性能以满足排水要求。而孔隙率和渗透系数是表征路面结构材料排水 性能最直接有效的指标。 2 3 1 孔隙率和有效孔隙率 排水性材料是带有孔洞的物体，具有孔隙性。孔隙由三部分组成，即连通孔 隙、半连通孔隙和封闭孔隙，三者之和即为全孔隙。孔隙率是指材料孔隙的体 积与排水材料总体积( 包括孔隙体积和固体颗粒所占据的体积) 之比。孔隙率的 大小取决于多孔介质中骨架颗粒的粒径分布和孔径分布。除此之外还与土颗粒的 组成，不均匀系数有关。 然而，从流体通过多孔介质的观点n 引，只有那些相互连通的孔隙才有意义， 和其他孔隙不相连通的孔隙是无效的。对于细粒土，因为颗粒表面的结合水占据 了相当一部分孔隙，所以对流体运动的有效孔隙比总的孔隙少得多。互相连通的、 不为结合水所占据的那一部分孔隙即为有效孔隙。有效孔隙体积与总体积之比称 为有效孔隙率吃。 经水泥处治的路面结构材料的全孔隙率测定常采用量体积法，用游标卡尺量 取试件的直径和厚度( 长宽高) ，且每个数据各量三次以上取平均值，计算得到试 件的体积。其计算公式如下： n n = ( 1 一二：l 一) 1 0 0 ( 2 1 ) v 。艮。p t j 式中：一试件的孔隙率( ) ； 一试件在空气中的质量( g ) ； v 一试件用游标卡尺测出的体积平均值( c m 3 ) ； 风一水的密度( g c m 3 ) ，2 5 时，p w = 0 9 9 7g c m 3 ； a 一排水结构层材料的理论密度( g c m 3 ) ，按配合比计算，公式如下： 1 2 硕_ ：学位论文 n ： ! q 旦 ( 2 2 ) n = 一 lz zj m 。鸭 土上l 山三 p 、p 1p 、 式中，确、鸭、鸭分别是集料、水泥和水占材料总质量的百分比；, 0 7 、岛、p 3 分 别是集料、水泥和水的有效密度。 有效孔隙率的测定方法常采用水中称重法，将试件风干3 天以上，或放在烘箱 内在5 0 c 的温度下烘1 8 小时以上至恒重，然后称取干重；将试件浸水2 4 h 后 称取水中质量码，按下式计算有效孔隙率： 仇：( 1 一m o - m a ) 1 0 0 ( 2 3 ) 1 ，风 按现场工地多孔隙材料试验配合比数据，进行室内试验。根据式( 2 1 ) 计算 出不同的试件质量，制成全孔隙率范围为1 6 2 8 的多孔隙水泥稳定碎石和多孔 隙贫混凝土圆柱体试件，7 d 后按上述方法进行有效孔隙率的测定，结果如表2 3 。 从图表可以看出，这两种多孔材料的孔隙率与有效孔隙率有着很好的二次关 系，经回归分析得出有下列关系式： 多孔隙水泥稳定碎石： n o = - 0 0 2 7 n 0 2 + 2 3 3 1 n o 一1 7 9 6 4 ( r 2 = 0 9 9 4 ) ( 2 4 a ) 多孔隙水泥混凝土： n e = - - 0 0 2 3 n 0 2 + 2 11 7 n o - 1 6 3 9 1 ( 9 2 = 0 9 9 5 ) ( 2 4 b ) 表2 3 多孔隙材料有效孔隙率 全孔隙率 有效孔隙率 多孔隙水泥稳定碎石多孔混凝土 有效孔隙率与孔隙率之间的关系如下图所示： 水泥混凝十路面结构排水质量评价 图2 2 全孔隙率与有效孔隙率的关系 现场施工后根据压实度的测量方法，用薄膜贴住洞壁，通过灌砂测量出多孔 隙材料的密度，利用式( 2 1 ) 计算出现场施工后的孔隙率，根据回归公式( 2 4 ) 得到处治类多孔透水性材料现场有效孔隙率。结果如表2 4 。 表2 4 现场结构层材料孔隙率与有效孔隙率均值 2 3 2 饱和渗透系数 关于多孔材料渗透系数的研究，大多基于d a r c y 定律m 3 。根据试验，d a r c y 假 定流量g ( 单位时间水流的体积) 与不变的横截面积彳及水头差( 啊一红) 成正比，与 长度三成反比，d a r c y 定律如下： q = 幽( 一吃) l ( 2 5 ) 将上式变形，得 ，= k i( 2 6 ) f = ( 均一) 三 式中：1 ，为渗透流速；，为水力梯度；k 为渗透系数，或称水力传导系数。式( 2 6 ) 是d a r c y 定律的另一种表达形式。 d a r c y 定律产生以后，对于k 的物理意义是通过s e e l h e i m 、h a z e n 与s l i c h t e r 等 人的工作逐渐认识到的乜引。对于k 的物理基础，常见的表达式为 k ：c d 2 上( 2 7 ) 式中：c 为颗粒形状系数；d 为颗粒平均直径；y 为流体重度；为流体动力粘滞 1 4 硕i ：学位论文 系数；c d 2 为公认的本质渗透性，只与多孔材料的组成结构( 颗粒大小、形状、 排列有关) 。k 的物理基础取决于固体颗粒骨架的几何形状结构( c d 2 ) 和流体 的性质( y ) ，足不是常数，是流体粘滞度、重度和颗粒结构的函数，只有粘滞 度、重度和其他因素是常数时，渗透系数在d a r c y 定律中才能作为常数。当水力梯 度f 为1 时，渗透系数在数值上等于渗透速度。由于水力梯度无量纲，渗透系数具 有速度的量纲，常用c m s 以或m d 。1 表示。 d a r c y 定律表明渗透流速和水力梯度之间存在简单的线性关系，但很多研究者 根据试验得出的结论往往与d a r c y 定律不符，即渗透流速与水力梯度之间存在其他 形式的关系乜。最常见的是f o r c h h e i m e r 提出的非线性渗透定律： f = 口v + b y 2( 2 8 ) 式中：口、b 为由流体和介质的性质决定的常数。19 5 8 年i r m a y 根据流体力学中粘 性流基本定律n a v i e r s t o k e s 方程导出式( 2 9 ) ，从理论上证明了f o r e h h e i m e r 定律。 在f o r c h h e i m e r 的二项式中，渗透流速很小时，忽略右端第2 项，即为d a r c y 定律： 渗流速度很大时，忽略右端第l 项，可得： ，：k 1 7 2 ( 2 9 ) 可见，随着渗透流速的增大，d a r c y 定律不再成立，只有当水流状态为层流时， d a r c y 定律才适用。通常，流体在通过管道的流动中，区分层流和紊流所采用的准 则是雷诺数r e 。r e 为一无量纲数，表示流体的惯性力与粘滞力之比。对于多孔介 质中的流动，可以采用类比的方法，将r e 定义为 r e = w d( 2 1 0 ) 式中：，为多孔介质特征长度；d 为流体的运动粘度。b e a r 根据其他学者的研究成 果，得出发生非线性流的原因是惯性力引起的，把多孔介质中的流态分为3 种区域 乜引：层流区，这是低r e ( d , 于1 0 ) 时的流动情形，此区内粘滞力起主要作用，线性 d a r c y 定律成立；过渡区，随着r e 的增大，从层流状态逐渐变为惯性力支配流动 的另一种状态，进而逐渐变为紊流，非线性过渡区上限的r e 为1 0 0 ；紊流区，当 r e 很大时出现此区。d a r c y 定律仅适用于层流区，此时r e 小于l o 。 2 3 2 1 水泥稳定类排水材料饱和渗透系数 1 测试方法 渗透系数的测试方法按照水头状况分为常水头法和变水头法2 种心0 1 。一般粘 质土与细粒土等渗透性能较差的材料，渗透系数k 小于1 0 - 3 c m s ，由于流量太小 而难以准确测定，常采用变水头法测定其渗透系数乜3 以4 l 。常水头渗透试验适用于 渗透系数较大的砂类土等材料，多孔材料的渗透系数通常不低于0 3 5c m s ，因此 可采用常水头法测定其渗透系数。 试验中对于处治类的结构层透水性材料的测定所采用的渗透仪如图2 3 所示。 水泥混凝十路面结构排水质量评价 连续供水 卜叫 横截面棚 图2 3 常水头法渗透仪2 5 1 为得到比较理想的试验结果，试验过程中考虑以下因素的影响： ( 1 ) 测压管位置和进水槽高度。试验测试原理按照d a r c y 公式进行，为保证 d a r c y 公式适用，其前提是水流必须为层流状态，此时水力梯度与渗流速度成线性 关系，根据a s t m 建议的水力梯度临界值和大量试验结果分析，水力梯度应小于 0 0 3 心引。测试按此要求进行，保持测试水流为层流状态。因此需计算层流状态两 个测压管的水头差，试验时，调整进水槽高度，以得到保证层流状态的水头差。 ( 2 ) 试验用水。水对试件渗透系数的影响主要是水的含气量和水温两个方面。 含气量的影响表现在水、气分离形成的气泡堵