（道路与铁道工程专业论文）结构内部排水条件对沥青路面使用性能的影响.pdf

硕十学位论文 摘要 高等级公路在使用一段时间后，不可避免地会出现各种病害，其中水是危害 公路的主要自然因素。大多数路基沉陷、冲刷、坍塌、翻浆，沥青路面松散、剥 落、龟裂、车辙等，都不同程度地与地表水和地下水的侵蚀有关。水的作用加剧 了路基和路面结构的损坏，加快了路面使用性能的恶化，缩短了路面结构的使用 寿命。因此，道路排水是否通畅是影响路面使用性能和使用寿命的一个重要因素。 在自然因素作用下，路面内部不可避免地存在水分，本文主要探讨结构内部排水条 件对沥青路面使用性能的影响。分析表明，沥青路面内部水的状况对路面承受荷载的能 力和使用寿命有重大影响，尤其是大交通量的公路。与标准良好排水条件路面相比，排 水质量中等时b z z - 1 0 0 累计轴次可以下降6 0 以上，排水质量较差时可以下降8 0 以 上，排水质量极差时下降最大可以达到9 6 。另一方面，排水质量为优秀时，b z z 1 0 0 累计轴次至少可以增加1 1 0 ，最大增加4 8 0 。 为优化沥青路面结构设计，本文采用全寿命周期费用分析方法以获得一个最佳排 水质量与排水层厚度的组合。设计指标采用使用性能指标路况指数p c i ，以 控制使用性能末期道路用户所能接受的最低水平。文中采用全寿命路面结构行为 模型，通过因排水系数和底基层厚度而异的e s a l 和弯沉值，建立了路面损坏状 况指数p c i d 值及路面性能指数p c i 。与路面排水系数和底基层厚度的关系，得到 了不同排水条件下路面达到一定路况性能标准时的最佳底基层厚度。 关键词：道路工程；沥青路面；内部排水；使用性能；全寿命周期费用分析；路 况指数p c i i i 结构内部排水条件对沥青路面使用性能的影响 a b s t r a c t a f t e rap e r i o do fu s i n gh i g h g r a d eh i g h w a y s ，t h e r ec a nb ee m e r g e dv a r i o u s d i s e a s e si n e v i t a b l y , i nw h i c hw a t e ri st h em a i nn a t u r a lf a c t o rt oe n d a n g e rh i g h w a y s t h em a j o r i t yo fs u b g r a d es u b s i d e n c e ，e r o s i o n ，c o l l a p s e ，p u m p i n g ，a s p h a l tp a v e m e n t r a v e l l i n g ，p e e l i n g ，c r a c k i n ga n ds oo n ，a r er e l e v a n tt ot h ee r o s i o no fs u r f a c ew a t e ra n d u n d e r g r o u n dw a t e ra tv a r y i n gd e g r e e s t h er o l eo fw a t e ra g g r a v a t e st h ed a m a g eo f s u b g r a d ea n dp a v e m e n ts t r u c t u r e ，s p e e d su pt h ed e t e r i o r a t i o no ft h ep a v e m e n t p e r f o r m a n c e ，a n ds h o r t e n st h el i f eo fp a v e m e n ts t r u c t u r e a sar e s u l t ，w h e t h e rt h er o a d d r a i n a g ei sc l e a ri sa l li m p o r t a n tf a c t o rt op a v e m e n tp e r f o r m a n c ea n ds e r v i c el i f e t h e r ei n e v i t a b l ye x i t sm o i s t u r ei np a v e m e n td u et on a t u r ef a c t o r s t h i sp a p e r e x p l o r e dt h ee f f e c t so fs u b s u r f a c ed r a i n a g ec o n d i t i o n so nt h ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l t p a v e m e n t s a n a l y s e sa n dd i s c u s s i o n ss h o wt h a t t h e d r a i n a g e c o n d i t i o n sh a v e s i g n i f i c a n ti n f l u e n c e s o nt h el o a d i n gc a p a b i l i t ya n ds e r v i n gd u r a t i o no fa s p h a l t p a v e m e n t s ，p a r t i c u l a r l yt h o s ef o rh e a v yt r a f f i ch i g h w a y s c o m p a r e dt os t a n d a r dg o o d q u a l i t yd r a i n a g e ，f a i r , p o o ra n dv e r yp o o rd r a i n a g e sm a yr e s u l ti nar e d u c t i o ni n c u m u l a t i v eb z z - 10 0a x l el o a d so fap a v e m e n tm o r et h a n6 0 ，8 0 a n dm a x i m u m 9 6 ，r e s p e c t i v e l y o nt h eo t h e rh a n d ，e x c e l l e n td r a i n a g em a yr e s u l ti na ni n c r e a s ei n c u m u l a t i v eb z z 一10 0a x l el o a d so fap a v e m e n tb ya tl e a s t110 w i t hp o t e n t i a lu pt o 4 8 0 i nv i e wo ft h e s i g n i f i c a n c eo ft h ee f f e c t ，r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f s u b s u r f a c ed r a i n a g ed e s i g n ，a n di n c o r p o r a t i o no ft h ed r a i n a g ed e s i g ni n t ot h e p a v e m e n td e s i g nm e t h o da sa ni n t e g r a t e dp a r t ，s h o u l db ei nt h ea g e n d a i no r d e rt oo p t i m i z et h es t r u c t u r a ld e s i g no fa s p h a l tp a v e m e n t ，t h i sp a p e ra d o p t e d t h ew h o l el i f ec i r c l ec o s ta n a l y s i si no r d e rt og e tac o m b i n a t i o no ft h eb e s td r a i n a g e q u a l i t ya n dd r a i n a g el a y e rt h i c k n e s s t h i sd e s i g na d o p t e dp a v e m e n tc o n d i t i o ni n d e x p c ia st h ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，i no r d e rt oc o n t r o lt h em i n i m u ml e v e lw h i c ht h e r o a du s e r sc a na c c e p ta tt h ee n do fp e r f o r m a n c e t h ep a p e ru s e dt h ep a v e m e n t s t r u c t u r el i f e - c y c l eb e h a v i o rm o d e l ，t h r o u g ht h ee s a la n df l e x u r ev a l u ew h i c hv a r y b e c a u s eo ft h ed r a i n a g ec o e m c i e n ta n ds u b b a s et h i c k n e s s ，t h e ns e tu pt h er a l a t i o n s h i p a m o n gp a v e m e n td a m a g ec o n d i t i o ni n d e xp c i d ，p a v e m e n tp e r f o r m a n c ei n d e xp c i t ， a n dt h es u b s u r f a c ed r a i n a g ec o e f f i c i e n t ，s u b b a s et h i c k n e s s ，a tl a s tw ec o u l dg e tt h e b e s ts u b b a s et h i c k n e s s e su n d e rd i f f e r e n td r a i n a g ec o n d i t i o n sw h e nt h er o a dr e a c h e d c e r t a i np e r f o r m a n c es t a n d a r d s u i 硕士学位论文 k e yw o r d s ：h i g h w a ye n g i n e e r i n g ；a s p h a l tp a v e m e n t ；s u b s u r f a c ed r a i n a g e ； p e r f o r m a n c e ；l i f ec i r c l ec o s ta n a l y s i s ；p a v e m e n tc o n d i t i o ni n d e xp c i i v 结构内部排水条件对沥青路面使用性能的影响 插图索引 图1 1 几种典型沥青路面水损坏形式2 图2 1 路面内部排水系统分类1 0 图2 2 边缘排水系统1 1 图2 3 排水基层排水系统1 4 图2 4 排水垫层排水系统1 4 图2 5a a s h t o 排水系数m 推荐值1 8 图3 1 力学计算图式2 4 图3 2j t gd 5 0 规范累计轴次随底基层厚度的变化2 6 图3 3a a s h t o 不同r 和岛值方法b z z 1 0 0 累计轴次随底基层厚度的变化 ：1 7 图3 4j t gd 5 0 规范弯沉值随底基层厚度的变化2 8 图3 5a a s h t o 不同尺和岛值及j t gd 5 0 方法b z z 1 0 0 累计轴次随底基层 厚度的变化3 0 图3 6j t gd 5 0 与a a s h t o 方法b z z 1 0 0 累计轴次比较3 0 图3 7j t gd 5 0 与a a s h t o 方法在r = 9 0 和岛= o 5 0b z z 1 0 0 累计轴次比 较31 图3 8j t gd 5 0 规范与a a s h t o 累计轴次之比3 1 图3 9a a s h t o 方法不同m 值累计轴次随底基层厚度的变化3 3 图3 1 0a a s h t o 方法不同底基层厚度累计轴次随m 值的变化3 4 图3 1 1 基于标准研不同m 值时b z z 1 0 0 累计轴次相对比3 5 图4 1 全寿命设计示意图3 8 图4 2 设计方法流程4 l 图4 3 不同排水条件下p c i d 随底基层厚度的变化4 6 图4 4 不同底基层厚度条件下p c i d 随排水条件的变化4 6 图4 5 不同排水条件下p c i 。随底基层厚度的变化4 7 图4 6 不同底基层厚度条件下p c i 。随排水条件的变化4 8 v 硕士学位论文 附表索引 表2 1a a s h t o 排水系数m 推荐值1 8 表3 1a a s h t o 规范的可靠度水平规定( ) 2 2 表3 2 不同可靠度水平的标准正态分布2 2 表3 3 典型路面结构及材料性质2 3 表3 4j t gd 5 0 方法弯沉和累计轴载计算结果2 4 表3 5a a s h t o 方法结构数和累计轴次计算结果2 8 表3 6j t gd 5 0 规范与a a s h t o 累计轴次之比( ) 2 9 表3 7a a s h t o 方法不同，l 值时结构数计算结果3 2 表3 8a a s h t o 方法不同加值时累计轴次算结果3 2 表3 9 相对于排水质量良好的路面b z z 1 0 0 累计轴次比3 5 表4 1 回归系数或指数4 3 表4 2 沥青材料影响系数4 3 表4 3 回归参数值4 4 表4 4 每日可承受当量等效轴载值e s a l ( 次日) 4 5 表4 5 路面损坏状况指数p c i “一4 5 表4 6 路面性能状况指数p c i t 4 7 表4 7 不同排水条件下路面达到一定路况性能标准时最佳底基层厚度( c m ) z i ； 表b 3 1 理论弯沉值厶随基层与底基层厚度的变化( 0 0 1 m m ) 5 7 表b 3 2 实测弯沉值0 随基层与底基层厚度的变化( 0 0 1 m m ) 5 7 表b 3 3 综合修正系数随基层和底基层厚度的变化5 8 表b 3 4m = 0 4 时a a s h t o 方法结构数和累计轴次计算结果5 8 表b 3 5m = 0 6 时a a s h t o 方法结构数和累计轴次计算结果5 9 表b 3 6m = o 8 时a a s h t o 方法结构数和累计轴次计算结果5 9 表b 3 7m = 1 2 时a a s h t o 方法结构数和累计轴次计算结果6 0 表b 3 8m = 1 4 时a a s h t o 方法结构数和累计轴次计算结果6 0 表b 4 1 回归系数五值6 1 表b 4 2 回归系数孝值6 1 表b 4 3 回归系数即值6 l 表b 4 4 路面寿命指数a 值6 2 表b 4 5 衰变模式指数值6 2 v i i i 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： 蜀、雨i 香 1 日期：妒7 年。月乃日 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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：夕刃罗年争月巧日 日期：2 幻7 年年月3 日 并曩 搬p 卜7，、h 喀 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 问题的提出 随着近几年公路建设步伐加快，我国公路建设取得了举世瞩目的成就，开创 了中国公路建设史上的新纪元。沥青路面就其表面平整、无接缝、行车振动小、 噪音低、开放交通快、养护简便、适宜于路面分期修建等优点而使用广泛，然而， 在我们充分肯定建设成就的同时，应该看到因国民经济发展所带来的交通量迅速 膨胀、车辆大型化、渠化交通等诸多问题，加上我国南北冬夏温差大，气候多变 等环境因素，使得全国各地都不同程度地存在着路面过早损坏的问题，当然，这 个问题也普遍存在于世界各国。多年的使用经验也显示，虽然高等级沥青路面的 设计年限通常为1 5 年，但有些公路通车2 3 年，甚至仅仅几个月，就出现了大 量不同程度的病害【l 】。各国道路科研工作者从大量研究中发现，沥青路面的早期 破坏现象或多或少，或直接或间接的都与地表水和地下水的侵蚀有关，即水是造 成并加速路面结构性损坏最主要的肇因之一。 1 1 1 水对路面的损害 由于种种原因，我国沥青路面早期损坏现象普遍存在，其中水损坏问题突出， 表现为松散、坑洞、层底剥落、不同种类的开裂等，已经成为早期损坏 的主要模式之一。 ( 1 ) 裂纹路表面的裂纹使表面的水份渗入面层，进入到稳定层，然后通过稳 定层进入到路面基层，这明显降低了路面强度且导致路面变形、龟裂，如图1 1 a ) 所示。一般，在非潮湿地区，裂缝只会影响路面的外观；而在降雨量大的地区， 裂缝的存在会导致路面各项使用性能的快速恶化。 ( 2 ) 沥青混凝土表面无论是密实式的还是半开式的，都会产生松散和坑洞损 坏，并且几乎每条高速公路上都有，只是单位面积内坑洞的个数和面积有差别， 如图1 1 b ) 所示。只要自由水进入并滞留在沥青混凝土的孔隙中，在大量行车作 用下，都会产生沥青剥落现象并导致水损坏。 ( 3 ) 沥青混合料在施工时拌和不均匀，或沥青含量相对较少，不能将矿质集 料有效粘结，在面层结构含有大量水分的情况下，由于高速行驶车辆轮胎的“泵 吸 作用，较细集料被吸出，造成了沥青路面的层底剥落现象，如图1 1 c ) 所示。 此类情况虽然不影响路面外观及表面层结构的整体性，但势必会对路面的承载能 力带来负面的影响。 结构内部择水条件对青路面使用性能的影响 c ) 层底剥落 图11 几种典型沥青路面水掼坏形式 水可以通过裂缝、接缝、路面表面和路肩渗入路面，还可以通过高水位地下 水、截断的含水层、当地泉水、冰冻融化水、毛细水等进入路面结构由于排水 不良而造成大量的自由水积滞在路面结构内，其对路面产生各种有害影响可归纳 如下吐 ( 1 ) 使无枯结粒状材料和路基土的强度降低。路基土的强度和模量都随着含 水量的增大而降低，含水量的增大也容易引起车辙和塑性应变破坏。 ( 2 ) 由于高速行驶车流产生的高动水压力，使柔性路面基层的细颗粒在其冲 刷作用下产生唧泥，导致路面车辙、开裂，最后失去支撑。 ( 3 ) 在冰冻深度大于路面厚度的北方地区高地下水位会产生不均匀冻胀， 并在冻融期间降低承载能力。在季节性冰冻地区，永使冻胀土产生不均匀冻胀。 ( 4 ) 沥青路面面层底与水经常接触将使沥青混合料剥落，对于水泥混凝土路 面，将影响混凝土的耐久性并产生龟裂。 在我国已经通车的高速公路中，半剐性基层沥青路面约占7 5 口】。经调查发 现，使用一年阻上的高速公路，不管是北方半干旱地区( 降雨量为4 0 0 6 0 0 m m ) ， 还是南方潮湿多雨地区( 降雨量超过1o o o m m ) ，也不管是任何形式的路面结构， 硕十学位论文 都产生了不同程度的水损坏【4 ，5 1 。水损坏普遍而且严重，应当得到相当程度上的重 视。 1 1 2 产生水损坏的外因和内因 k a n d h a l 等学者认为，路面水损坏的发展是一个自下而上的过程，即水损坏 由沥青层底部逐渐向上扩展，最终贯穿整个沥青面层造成破坏【6 】。调查表明，影 响沥青路面水损坏的因素可分为外部因素和内部因素。外部因素主要有水、荷载、 温度等，内部因素有沥青与矿料的性质、沥青混合料的空隙率、路面结构内部排 水系统等。 1 1 2 1 外因 ( 1 ) 水的影响：通常我国习惯上采用路表面排水，并且也未设置有效的防水 层，导致非但不能有效的阻隔外界自由水的浸入，反而使得浸入路面内部的水分 长时间滞留在路面结构内部，从而破坏、侵蚀路面结构，这是路面破坏的主要原 因。 ( 2 ) 交通量、车速及载重车辆：近几年来，交通量不断增加，随着高等级道 路的大量修筑，行车速度显著提高，由原来的4 0 6 0 k m h 达到8 0 1 2 0 k m h ，路面 积水的动水压力亦增大到原来的4 倍左右，达到0 5 3 m p a ( 理论计算值) 。车辆通 过路面时，面层与基层交界面上滞留的自由水都会产生相当大的水压力和抽吸力， 轮下的压力将轮下结构层的水挤压，而同时车轮驶离时又产生相当大的抽吸力。 这两种力的瞬时先后作用能将滞留在基层顶面的浆水吸出表面，并促使粘结质首 先从较大的颗粒土剥落，逐渐使基层及面层的强度大幅度下降至路面局部出现松 散并形成网裂及坑洞。在其它条件不变的情况下，交通量越大，重载车在交通流 量的比例越高，特别是大量的超载、超限车辆行驶在高速公路上，路面水破坏将 很大l o ( 3 ) 温度变化的影响：春季冻融期间的温度在零度左右变化，路面中的水分 不易排除，与重载交通共同作用，路面易产生损害；而在夏季高温作用下，沥青 混凝土强度降低，雨季雨水较多，在路面内部积聚水的冲击下，路面亦易损坏。 1 1 2 2 内因 ( 1 ) 沥青与集料的粘结力不足是导致水损坏的原因之一【8 1 1 】。沥青与集料的 粘结力主要受其自身性质的影响，如沥青与矿料的化学成分、沥青与矿料表面的 界面张力、沥青的粘性、矿料的空隙率、矿料的含水量和含泥量等。水的极性很 强，它比沥青更容易浸润集料的表面，水分逐步侵入到沥青与集料的界面上，降 低了沥青与集料之间的粘附性。 ( 2 ) 沥青混合料设计和施工时级配不好以及空隙率较大，导致渗水严重。 结构内部排水条件对沥青路面使用性能的影响 ( 3 ) 沥青混合料离析、拌和过程的不均匀。材料自身的不均匀是集料离析的 主要原因；还有运输过程造成的集料离析和温差离析；摊铺过程中的离析等。由 于离析而造成混合料压实质量难以得到保障。 ( 4 ) 另外，我国的路面设计即使有设置防水层，但进入路面结构的水超过了 路面结构自身的排水能力。 1 1 3 目前减少水损坏的主要措施 防止水分进入路面结构，修筑强度足够的路面承受荷载和水的共同作用，或 用排水设施将水分迅速排除，可使水对路面的有害影响减到最小程度【1 2 , 1 3 】。 ( 1 ) 为防止水分进入路面结构内部，可将沥青混凝土的上部和下部密封或将 上部压实。使用密封的方法应考虑水分的来源，防止路面结构中发生水分聚积。 实际上，表面封层也阻碍了水分自表面混合料的蒸发。表面封层只是一个暂时的 防护性措施，因为不管表面做得如何完美，长时间的外界条件作用，以及沥青本 身随时间的老化，裂缝会最终反射到封层上来，对水敏感的混合料会很快在裂缝 处再次发生损坏。如果水分从下卧层进入路面结构，其低渗透性反而是路面破坏 的原因。另外，采用足够的压实度可以减少孔隙连通性和渗透系数，它的缺点在 于一旦有水进入，渗入水将很难排出路面结构之外。 ( 2 ) 使用良好的集料，提高沥青与矿料的粘结力。为了减少剥落，使用粗糙、 洁净集料，以形成较粗糙的表面构造，增加沥青的裹覆程度；尽量采用碱性集料 和粘附性较高的沥青；不使用对水敏感的集料和沥青；控制沥青用量，在集料表 面形成一层均匀的沥青薄膜。必要时，针对不同的矿料和沥青选择合适的抗剥落 剂( 可按试验规程中的水煮法做粘结力试验选择) ，有助于提高沥青与矿料的粘结 力。 ( 3 ) 排出渗入的自由水。设置良好的路面内部结构排水系统以排除引起各种 损坏的水分。采用边缘排水系统和排水层排水系统，将渗入路面结构内部的水分 迅速排除，可以避免自由水在路面结构层中积滞时间过长，从而改善路面的使用 性能、提高路面的使用寿命。 在以上讨论的三个措施中，前两个措施可以减缓水损破坏的产生，但并不能 从根本解决问题，从经济角度和技术角度考虑难以实施推广，即使采用的沥青混 合料对水不敏感，也不能减小行车荷载带来的高动水压力对混合料的剪切和冲刷 作用，不具水敏感性的沥青混合料只能有限地延缓路面的水损坏。因此，最具实 际意义和研究价值的减轻路面水损坏的方法是在路面结构内部设置排水系统。 硕十学位论文 1 2 沥青路面内部排水的研究意义和前景 沥青路面结构在高等级公路中广泛使用的同时，其耐久性和路面结构的早期 破坏问题也日益突出。水损坏严重削弱了沥青路面的使用性能，大大缩短了其使 用寿命，同时也带来了巨大的经济损失，阻碍了沥青路面结构及其应用技术的进 一步推广。为此，加强对沥青路面水损坏问题的研究是具有现实意义的。 c u m b e r l e d g e 1 4 】等对5 条试验路进行的实地量测发现，路面车辙与路基土的 含水量有直接关系。通过对含水量、细集料的含量、液限、干密度及路面层厚度 等影响因素调查发现，含水量高是导致车辙破坏的主要因素。西方一些国家大量 的路面损坏状况调查和路面使用经验表明，进入路面结构的自由水是造成并加速 路面损坏的主要原因。因此，设置良好的内部排水系统，可将积滞在路面结构内 的水分迅速有效的排除到路面和路基结构外，有利于改善路面的使用性能，提高 其使用寿命。对于交通繁重的高速和一级公路，采用内部排水设施所增加的资金 投入，可以很快从使用寿命的增加和养护工作的减少中得到补偿。国外一些试验 路段的观察和对比分析结果表明：设置良好的路面内部排水系统，可使沥青混凝 土路面的使用寿命比未设的提高3 0 左右【1 5 , 1 6 】。c e d e r g r e n 1 7 】等通过对设置排水和 不设置排水系统的已建路面进行损坏状况调查显示，在雨量丰富的地区，在水流 和车载的共同作用下，不排水路面的破坏程度高于排水性能好的路面1 5 倍左右。 加州的研究还表明：该州每年建造的路面，采用有内部排水设施的路面能节省l 1 0 0 万美元以上的费用【博j 。 综上所述，路面内部排水系统的设置，对路面的使用有重大影响，适时研究 开发路面结构内部排水条件定量估计方法，并使之成为沥青路面设计方法的一个 组成部分，无疑具有重要意义和良好的推广应用前景。 排水路面以其良好的使用功能和低噪音特性倍受人们青睐，尤其在积雪寒冷 地区，也通过逐年的试验开始大量试验铺筑，与之配套的清扫( 洗) 设备也已经 开发出来。国内已着手在面层材料上进行研究，并取得了阶段性成果，结构内部 排水也多有成功的报导。排水路面虽然目前还存在着一些技术问题，如孔隙阻塞 不能完全疏通等，但它已在实用的阶段上前进了很远，尤其是国外在特殊地区的 实际应用，更为我们提供了可以借鉴的经验【1 9 2 1 】。排水路面在国内的应用也必将 取得良好的效果。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国内研究概况 我国高速公路多采用相当于原公路沥青路面施工技术规范( j t j0 3 2 9 4 ) 的a c 1 6 i ( l h 2 0 i ) 型、a c 1 6 i i 型、多空隙沥青混合料的沥青混凝土s a c 1 6 结构内部排水条件对沥青路面使用性能的影响 ( s l h 2 0 ) 、a k 1 3 b 、a k 1 6 b 及其他【2 2 1 。调查发现，目前我国绝大多数沥青混 凝土高速公路所用的沥青混合料的空隙率都处于可能出现水损坏的危险范围。 我国在结构内部排水方面的研究尚处于起步阶段，比起国外晚了约三十年左 右。“七五 攻关课题“高等级公路路面、路基排水系统和设计子题研究 对路表 及路基排水设计做了较具体的研究，但是对渗入路面结构内部自由水的排除研究 的较少。近年来，我国高等级公路建设规模日益扩大，但是设计中却仍停留在强 调改善路面质量和强度上，排水系统的设计远远不能满足要求，致使许多公路路 面早期损坏严重。 1 9 9 8 年我国发布实施的公路排水设计规范( j t j0 1 8 9 7 ) 1 2 3 】中提出了在 一定条件下应设置路面内部排水系统，在路面内部排水系统的构造设计、材料组 成、结构尺寸、施工工艺等方面作出了原则性的规定，在目前国内路面设计和施 工中，还没有作为强制性的要求，由于实践经验和基础数据的缺乏，仍未对路面 结构的排水质量提出量化的指标以考虑入路面结构设计方法中，需要进一步的研 究、总结。 我国对路面内部排水的研究工作始于1 9 9 0 年，当时同济大学道交系在江西省 萍乡市修筑了一段水泥混凝土路面的内部排水系统试验路。该系1 9 9 6 年在广东茂 名3 2 5 国道、1 9 9 7 年在上海远东大道、1 9 9 8 年在上海沪青平公路上修建了内部排 水系统试验路【2 4 1 ，对边缘排水、透水基层的布设、材料、施工工艺及使用效果进 行了系统的研究和检测，使路面内部排水系统技术日益成熟，目前上海市新建的 高等级路面已推广使用边缘排水系统。同济大学在大量试验的基础上，通过对透 水材料的孔隙率与渗透系数、孔隙率与强度、结合料含量与渗透系数等诸多关系 的试验结果分析，提出了满足排水基层使用性能要求的多孔隙水泥碎石和多孔隙 沥青碎石混合料组成，并研制了两种测试多孔隙排水混合料渗透系数的渗透仪。 从修筑后的实地观测看，效果良好，取得了不少室内外试验和施工工艺的经验。 虽然只是对多空隙率水泥或沥青稳定碎石透水基层的排水能力作了初步探讨，但 也为我国道路建设中推广应用路面内部排水系统奠定了坚实的基础。 近年来，广东省先后在广肇高速公路、广韶高速公路中铺筑了路面内部排水 系统试验路，调查资料表明，在降雨期间路面内部排水系统能有效工作，使用效 果明显，改善了路面结构内部排水性能和使用性能。在京珠高速公路粤境甘塘至 翁城段修筑的沥青混凝土路面内部排水试验路段上，从设计、铺筑到检测的整个 过程进行了严格控制，后期使用效果表明，与非排水性路面相比，试验段路面的 水损坏问题得到良好处理，路面的使用性能提高，路面的整体形象得到了大幅度 提升。该试验路段的铺筑为在南方地区进行排水基层的推广应用积累了丰富的经 验，也为排水基层的大规模机械化摊铺创造了有利条件。 硕士学位论文 东南大学结合锡澄高速公路璜塘试验路在沥青路面的水渗透特性和排水基层 的排水性能方面作了大量试验，指出对于所含细料无塑性的处治碎石，其渗透系 数主要取决子粒径分配与空隙率。长沙交通学院结合临长高速公路路面结构排水 设计，对水泥碎石排水混合料的组成设计方法进行了深入研究。 我国的排水路面虽然目前仍停留在试验的阶段，而且大多道路工程学者和工 作人员是在实践中累积经验的基础上进行修筑的，并未将排水质量定量化融入路 面结构设计中，但就目前的实践来看，所修筑的排水路面使用性能越来越好，使 用寿命也有大幅度增长。相信在不久的将来，一定能修筑出理想的排水路面，并 能将排水质量参数与结构计算联系起来，并能根据各地不同地质、水文、气候等 条件选择不同的参数计算出合理、经济的路面结构。 内部排水系统在我国却刚刚起步，人们对于路面内部排水的认识有待进一步 的提高。目前该方面还存在着很多不足： ( 1 ) 现行的排水设计规范对路面结构内部排水只做了一般性要求，不能将其 作为路面设计一个组成部分。设计往往按经验进行，致使路面排水设计大同小异。 ( 2 ) 未提出一个明确的设计指标用以评价路面结构内部的排水性能。 ( 3 ) 目前的路面内部排水设计未量化，不能使路面性能在工程经济的前提下 达到使用要求。 ( 4 ) 工程实践中常采用密实型沥青混合料、增加压实度的方法来减少路面水 进入路面结构的方法值得商榷。过度压实将缩短沥青混合料的使用寿命，进而缩 短路面结构的使用寿命，结果可能得不偿失。 ( 5 ) 缺少对基层( 包括底基层) 材料排水性能的研究，我国广泛使用的无机 结合料稳定基层材料，其排水性能、浸水后对路面使用性能的影响、是否广泛适 用等等，都是需要回答的问题。 ( 6 ) 目前路面结构内部排水设计只是对排水基层及盲沟进行计算，未涉及到 多层路面结构的排水性能。 大多数学者认为路面损坏是由路面空隙过大、压实度不足、沥青与矿料粘结 力不足造成的，在这些方面也做出了很多努力，但在考虑排水条件的力学方法计 算中却鲜少有成果。而由以上的现状分析可以看出，将排水质量量化，融入路面 结构设计方法中，提出我国自己的带路面内部排水系统分析的结构设计方法已迫 在眉睫。 1 3 2 国外研究概况 国外对路面排水系统的研究及设计起步较早，但长期集中于地下水和地表水 的排除，排水的目的也仅仅是为了减少路基的软化程度和路面积水，而对进入路 面结构内部水分的危害性认识不足【2 5 1 。目前，路面内部排水系统已成为一项常用 结构内部排水条件对沥青路面使用性能的影响 的措施，在西方国家道路建设中得到广泛应用。排水性路面最早起源于欧洲，1 9 6 0 年德国首次采用了大孔隙排水型路面；1 9 7 4 年和1 9 7 6 年法国修建了多孔隙贫混 凝土路面试验路；1 9 7 9 1 9 8 1 年法国又在戴高乐机场水泥混凝土路面结构中将 1 0 c m 厚的多孔隙贫混凝土层铺设于面板与水泥处治基层之间，以增加基层的排水 功能。贫混凝土的多孔性是靠含沙量达到的，一般为2 0 0 3 0 0 k g m 3 ，孔隙率可达 1 0 2 8 。这种多孔贫混凝土排水基层在欧洲的其他国家也广泛地用于硬路肩下。 长期观测表明，未处治多孔隙材料基层，大大促进了路面结构内部渗入水的排出， 减少了路面唧浆、错台等损坏现象发生。对于其他西方国家以及日本，则大多采 用多孔沥青碎石作面层。 美国道路专家认为最可靠的排水措施是整个路面宽度下采用开级配排水层， 美国早在2 0 世纪6 0 年代末和7 0 年代初通过调查和经验总结，就认识到了路面内 部排水的重要性。在对大量试验路的研究的基础上，于1 9 7 3 年由联邦公路局组织 制定了路面结构内部排水系统设计指南，以引导和推动公路部门采用路面排水 措施，1 9 8 0 年m o u l t o n 等对其进行了修i e 2 6 1 。到1 9 8 6 年，经过1 0 余年使用经验 和研究成果积累，美国各州公路与运输工作者协会a a s h t o ( a m e r i c a n a s s o c i a t i o no fs t a t eh i g h w a ya n dt r a n s p o r t a t i o no f f i c i a l s ) 在路面结构设计方法 a a s h t o 路面结构设计指南( g u i d ef o rd e s i g no f p a v e m e n ts t r u c t u r e s ) 2 7 】中， 将路面结构的排水能力( 柔性路面排水系数朋，以渗入水在路面结构内排除所需 的时间和一年内路面结构处于接近饱水状态的时间比例为指标) 作为一项设计因 素考虑在内。经过1 9 9 3 年的再次修改，成为现行的指南版本，而原计划于2 0 0 2 年出版的指南又称力学经验设计指南( m e c h a n i s t i c e m p i r i c a ld e s i g ng u i d e ) 2 8 , 2 9 】， 现仍在通过独立审查、地方标定等过程中，尚未最后颁布实施。a a s h t o 指南考 虑路面内部水的存在是绝对的，不存在是相对的。将沥青路面内部水的状况按水 多少与水存在时间分成若干等级，直接融入了设计过程。目前，路面结构内部排 水系统在美国已经成为一项常用的工程措施，并规定在一些州的路面通用结构断 面中；另外，科研工作者在路面结构内部排水系统施工、养护、使用效果以及透 水性材料的规格、试验方法和设计参数等方面也一直进行着长期的观测、调查、 试验和研究工作。 a a s h t o 指南虽然已将排水质量以排水层排水系数的形式加入到路面结构 设计中，但是否适用于绝大多数地区还有待研究。另外，对于如何在材料选用、 材料配比和铺筑的过程使得排水层排水质量达到预定的排水效果仍需要进一步的 研究和实践。因此，提高排水路面的使用性能是一个长期实践的过程。 英国运输研究院编制的沥青路面道路结构设计指南指出，路面结构层本 身的排水是结构设计的基本内容，因为设计时采用的路基强度取决于可能成为最 硕十学位论文 不利条件下的含水量，也不可能保证路面在其设计使用年限一直保持不透水，所 以保证迅速排除路面各结构层内的水分是极为重要的。 日本等发达国家早在2 0 世纪9 0 年代，就开始研究排水性沥青混凝土路面 ( d r a i n a g ea s p h a l tp a v e m e n t ，以下简称d a p ) 技术的应用【3 0 】。d a p 技术是在早期 开发的透水性路面技术的基础上发展起来的。它是由含8 0 以上9 1 5 - - 13 1 2 m m 粗 集料的碎石，与高粘度结合料拌制的混合料铺筑而成的多孔隙沥青混凝土路面。 与透水性沥青混凝土路面的最大区别在于，d a p 铺筑在不透水的沥青混凝土支撑 基面上，铺筑厚度一般为4 6 c m ，空隙率一般控制在1 5 2 5 之间，进入排水沥 青混凝土面层结构内部的水，全部从不透水层顶面排到路面边沟，或通过设置在 透水层边沿内部的纵向排水管道排出路面外。试验发现，由于这种路面结构内空 隙是连通的，而且有深的表面纹理结构，不仅降噪性能优良，而且在使用初期具 有优良的排水性能，减薄了路面的水膜厚度，减少了水雾、水漂以及雨后眩光的 产生，大大提高了行车安全性，所以在国外的城市道路和高速公路上都得到了推 广应用。 综上所述，排水性路面结构在国外有一定的发展和研究，但仅处于试验阶段。 综合试验结果，将排水层排水质量量化，提出一个含有排水条件，并适用于大部 分地区的路面结构设计方法还需要进一步的深入研究。 1 4 本文研究主要内容 在充分认识沥青路面早期损坏在很大程度上是由结构内部水的作用造成的基 础上，本文将探讨结构内部排水条件对沥青路面使用性能的影响，主要研究内容 为： ( 1 ) 简要介绍目前国内所采用的路面结构内部排水系统，并且针对a a s h t o 指南中将路面结构内部排水条件量化、采用排水系数将排水质量融入累计轴载次 数的计算作了详细说明。 ( 2 ) 参考目前国内路面结构最为普遍的设计样式和多年的经验总结，选用一 典型结构，并对其参数和所要参照的标准作出详细的要求。 ( 3 ) 结合目前1 9 9 3 年版a a s h t o 结构设计指南所提出的设计公式，通过 e x c e l 自编程序实现不同的排水系数、排水层厚度以及累计轴载作用次数之间的 关系计算，获得一个满足我国规范要求的a a s h t o 指南累计轴次计算表达式。对 所得a a s h t o 计算结果进行分析，说明排水质量的变化对沥青路面使用性能的影 响。 ( 4 ) 采用在全寿命周期效益分析方法基础上建立的全寿命路面结构行为函数 进行分析，使沥青路面排水层厚度设计在满足排水要求的情况下更加经济合理。 结构内部排水条件对沥青路面使用性能的影响 第2 章沥青路面结构内部排水系统概述 2 1 内部排水系统介绍 路面结构内部不可避免的存在着水分，当降雨、雪时，部分水通过横坡和 纵坡流向路肩和路基外，总有一部分会沿缝隙和空隙渗入路面结构内。为了迅速 排除积滞在路面结构内部的自由水，国内外普遍采用两种排水系统边缘排水 系统和排水层( 排水基层或排水垫层) 排水系统【3 1 1 ，如图2 1 所示。 边缘 排水系统 路面结构 内部排水系统 排水基