（道路与铁道工程专业论文）沥青稳定碎石排水层的设计与试验研究.pdf

摘要 国内外大量的路面损坏状况调查和路面使用经验表明，进入路面结构内的良 交求是造或竣燕速路瑟损坏懿首要摄溅。囡瑟，在黪嚣内零设鬟搀承系绞，褥揆 滞在路面结构内的水分殿时排除到路蕊和路基结构矫，将极大地改善路面的使用 性能和延长道路使用寿命。 沥毒稳定碎石撵水鼷在路耍结誊鼋申懿层位莰鬣鞠材料往艨嶷接影确至鼹露 摊水系统豹艮置效采，其设计和研究怒整个路面内部瓣承系统研究的基础。赢足 于由传统的高等级公路半刚性基层沥青路面的水损坏而引起的路丽结构排水问 题这一事实，本文结合圉内井研究成撩静键研，对沥青稳定磅嚣摊水层进行了设 诗和试验研究。 本文咀高等级公路沥青路面的典型结构形式作为未设排水层的路面结构原 型，通过不同的设置层位分析对排水滕的回弹模量斧盱厚度的要求，探讨设置摊水 蘑煞路面络翰翦一些结鞠参数适宣豹敬值范豳，并在踅基磷土运剧灰色系统关联 分析方法，对不同设置层位的路面结构的技术指标进行比较分析，得出较优的层 位设置方案。 黠溪誊穗定霹石捺承篷混合辩麓捞凝缀成透露了精心翡室内试验设融孛茨豁 室内试验结果，对沥青稳定碎石排水层混合料的透水性能、力学性能和耐久性能 进行了各种因素的影响分析，经数理统训分析获得了有关性能指标之间的经验关 系，我到了透承蕊戆窝力学性能之闫瓣乎簿点。遵避避会辩奁不鞠浸东条j f 孛下豹 性能试验，对混含料的耐久性能进行了验证。 结合结构分析与室内试验分析j i f 句结果，提出了沥青稳定碎石排水层混合料的 综合没诗方法，著实际运髑予试验路拘结构设诗帮搀水系统设诗。出予时闯疆铡， 仅对试验路的施工工艺及质量检测提出了设计方案，有待于进“步验证。 关键词：沥青稳定碎石排水层戊损害结构分析空隙率渗透系数析 漏试验抗压皤弹模壁泛；辩综合设讨4 方法 a b s t r a c t a c c o r d i n gt oal o to fi n v e s t j g a t i o n so np a v e m e n ts e r 、，i c ec o n d i t i o n ，i n a d e q u a t e s u b s u r f a c e d r a i n a g e o f p a v e m e n t h a sb e e ni d e n t i f i e da s a p r i m a r y c a u s eo f u n s a t i s f a c t o r yp a v e m e n tp e r f o r m a n c e a n d p r e m a t u r c f a i l u r e s i ti s c o m m o n l y r e c o g n i z e dt h a ts u b s u r f a c ed r a i n a g es y s t e mc a ni m p r o v ep a v e m e n tp e r f b n n a n c ea n d e x t e n ds e r v i c el i f e a sa ne s s e n t i a lp a r to fs u b s u r f a c ed r a i n a g es y s t e m ， t h e1 a y e rs e c t i n ga n d c h a r a c t e r i s t i c so fa s p h a l ft r e a t e dp e r m e a b l em a t e r i a ld i r e c t l ya f ! f c c tt h ep e r f o 肌a n c eo f s u b s u r f a c ed r a i n a g es v s t e m ，w h i c hi sl u c u b r a t e di nt h i sp a p e l b a s e do nt h et y p i c a ls e m i r i g i dp a v e m e n tw i t h o u tp e n n e a b l el a y e r ，u s i n g m u l t i l a y e re l a s t i cs y s t e mp r o g r a m ，i a t i o n a lp a v e m e n ts t m c t u r ew i t hp e f m e a b l el a y e r a td i 圩e r e n t1 0 c a t j o i i si sf i r s ta n a l y z e d t h e n ，u s i n gs t a t i s t i c a lm e t h o d ，p e r f o r m a n c e i n d e x e sa r ec o m p a r e d ，a n dt h ep r i o r1 a y e rs e t t i n gi so b t a i n e d t h f o u g h e l a b o r a t ei n d o o r t e s t s ， t h e d r a i n a g ep e r f o r m a n c e ， m e c h a n i c s p e r f o r m a n c ea n dd u r a b i l i t yo fa s p h a l ft r e a t e dp e r m e a b l em a t e r i a la r er e s e a r c h e d b y s t a t i s t i c a la i l a l y s e so fv a s tt e s td a t a ，t h eb a l a n c er a n g eo fa i rv o i d si s0 b t a i n e d ，v i a 口e r f o r m a n c et e s t si nd i f f e r e n ts a t u r a t i o nc o n d i t i o n s ，t h ed u r a b i l i t yo ft h em a t e “a li s g a i n e d f i n a l l y ，t h j sp a p e rb r i n g sf o r w a r dt h em i xi n t e g r a t e dd e s i g nm e t h o do fa s p h a l t t r e a t e dp e 卿e a b l em a t e r i a li n c o r p o r a t i n gt h er e s u l t so fs t m c t u r ea n a l y s e sa n dt e s t s a n dt h er a t i o n a lp r o p o s a la n dr e q u i r e m e n tf o rp a v e m e n ts u b s u r f a c ed r a i n a g es y s t e m o fi e s tr o a di ss u g g e s t e d k e y w o r d s ：a s p h a l tt i 弓a t e dp e h n e a b l ei 国y er ，w a t e r _ i n d u c e dd i s t r e s s ，s t r i l c t u r e a n a j y s i s ，a i rv b i d s ，c 。e f f i d e n t o fp e r m e a b i l i t y d r a i n - d o w n1 e s t ， r e s i l i e n tm o d u l u s ，m i xi n t e g r a t e dd e s j g l lm e t h o d i i 1 1问题的提出 第一章绪论 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，水泥混凝土路面唧泥、错台、断裂等病害，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，缩短了它们的使用寿命。因此，道路排水是否通畅是影 响路面使用性能和使用寿命一个重要因素。 1 1 1 水损坏的普遍性和严重性 早在2 0 世纪6 0 年代，国外道路工作者已经充分认识到水对路面的损坏作用。 美国沥青研究所( t h ea s p h a l ti n s t i t u t e ) 在1 9 9 6 年出版的沥青路面结构排水中明 确指出，导致路面早期损坏的首要外部因素为水【1 】。同时，国内外大量的路面损 坏状况调查和路面使用经验也表明，进入路面结构内的自由水是造成或加速路面 损坏的首要原因【2 】f3 1 。 在我国已经通车的高速公路l ，半刚性基层沥青路面约占7 5 ，水泥混凝j 二 路面约占2 3 ，刚性组合式路面约占2 调查发现使用一年以上的高速公路， 不管是北方半干旱地区( 降雨量4 0 0 6 0 0 m m ) ，还是南方潮湿多阿地区( 降雨量超 过1o o o m m ) ，也不管是半刚性路面、刚性路面还是刚性组合式路面，都产生了不 同程度的水损坏h 。水损坏成了路基路面的“大敌”。 降水进入沥青面层后，根据水的滞留位置，在大量高速行驶车辆作用下，可 能产生以下几种不同的水损坏现象： ( 1 1 表面层产生坑洞 无论表面层沥青混凝土是密实式还是半开式的，都曾产生过这类表面层水损 坏，并且几乎每条高速公路都有，只是单位面积内产生坑洞的个数和面积有差别。 通常采用半开式( i i 型) 沥青混凝土表面层时产生的水损坏更为严重。某高速公 路于1 9 9 5 年9 月通车后，1 9 9 6 年仅有少量坑洞，1 9 9 7 年和1 9 9 8 年共修补坑涧1 7 0 0 多个，约25 0 0 m 2 ，重铺表面层约70 0 0 m 2 。即使是s b s 改性沥青s m a 也难 免不产生明显的不均匀性。只要自h f 水进入并滞留在沥青混凝土的孔隙中，不管 是传统纯沥青混凝土，还是改性沥青或加抗剥落剂的s m a ，在大量行车作用下， 都会产生沥青剥落现象并产i 水损坏。 f 2 ) 表面层和中面层同时产生坑涧及局部表面产生网裂和形变 当表面层和中面层都是孔隙率较大的半开级配沥青混凝土，而底面层为孔隙 率较小的密实沥青混凝土时，在降雨过程中，自由水较易渗入并滞留在表面层和 中面层之间，并从中面层较薄弱处透入中面层。大量快速行车作用下部分碎石上 的沥青剥落，导致表面产生网裂、形变( 下陷) 和向外侧推挤，或产生坑洞。由于 沥青混凝的不均匀性，即使表面层和中面层都是密实式沥青混凝土，自由水也 能逐渐透入并使路面产生水损坏。 ( 3 1 唧浆、网裂、坑洞 当水透过沥青面层f 两层式或三层式) 滞留在半刚性基层顶面，在大量快速行 车作用下，自由水产生很大的压力并冲刷基层混合料表面的细料，形成灰色白浆。 狄浆通过各种形状的裂缝f 横缝、纵缝、斜缝和网裂) 被行车压唧到路表面。在灰 浆数量大的情况下，可能立即产生坑洞；数量小的情况下，可能使路面产生网裂 或变形。一旦某处产生网裂和变形，降水就更容易透入，并产生恶性循环，最终 导致路面损坏。通常半丌级配面层发生这种损坏现象较多。 f 4 ) 其他水损坏现象 另一类水损坏现象表现为严重的辙槽。自由水侵入沥青面层后，使沥青与碎 石的粘结力减弱。在行车荷载作用下，滞留在面层下部的水使矿料、特别是籼粒 碎石表面裹覆的沥青膜逐渐剥落，沥青混凝土的强度逐渐损失，直至完全松散。 在行车荷载下不但产生压缩形变，更严重的是剪切形变，轮下松散的沥青混凝士 向两侧( 特别是向外侧) 挤出，轮迹带下陷，同时其两侧鼓起，形成严重的辙槽， 槽深一般达3 0 4 0 m m ，最深的达8 ( ) 1 0 ( h m 。 总而言之，道路路面在使用一段时问后，各种病害的出现不可避免，其中大 部分的病害是由水的渗入引起的。长期积滞在路面结构内的自由水对路面将产：生 以下各种有害影响【6 l ： ( 1 ) 浸润各结构层材料和路基土，造成无粘结粒状材料和地基土强度降低； ( 2 ) 使水泥混凝土路面产生唧泥，随之出现错台、开裂和路肩破坏； ( 3 ) 进入孑l 隙的自由水在行车荷载作用下，形成高孔隙水压力和高流速的水 流，引起路面基层的细颗粒产生唧泥，导致路面车辙、开裂从而失去支撑： ( 4 ) 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； ( 5 ) 沥青路面面层与水经常接触将使沥青混合料产生剥落，影响沥青路面的耐 久性。 1 1 _ 2 产生水损坏的内因和外因 半刚性沥青路面产生水损坏的外因是降雨量、交通量、交通组成和行车速度。 通常降雨量大的潮湿多雨地区，水损坏现象较降雨量小的半干旱和干旱地区严重。 交通量大、载重车辆多的高速公路较交通量小、载重车辆少的高速公路严重。 产生水损坏的内因，一是1 1 型沥青混凝土的孔隙率偏大和i 型沥青混凝土的 i i i 实度偏小，现场实际孔隙率大，以及沥青混凝土不均匀造成的局部大孔隙率； 二是沥青与碎石的粘结力不足；三是我国的路面设计方法习惯上刁i 考虑路面结构 层排水和不设置有效防水层。 1 1 3 减少水损坏的主要措施 为防止路面结构的水损坏，究其原因呵采取以下三种对应措施： f 1 ) 为防止水分进入将沥青混凝十的 f 部都密封。但是表面封层只是一个暂 时的防护性措施，表面封层阻碍了水分沿表面混合料的蒸发，因为裂缝会最终反 射到封层上来，对水敏感的混合料会很快在裂缝处发生水损坏。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。足够的压实可以减少孔隙 连通性和渗透系数，缺点在于一旦有水进入，渗入水将很难排出路面结构之外。 划于水泥混凝土路面可以采用较好的接缝填料，阻止水分的渗入。 ( 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，提高沥青的裹覆程度；尽量采用碱性集料 和粘附性较强的沥青；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。 ( 3 ) 排出渗入路面内部的自由水。设置良好的路面结构内部排水系统，迅速排 除渗入路面结构内的水分，避免自由水在路面结构层中积滞的时间过长，从而改 善路面的使用性能【”。 1 1 4 研究路面内部排水的意义 上述三个减少水损坏的措施中，阿两个措施并不能从根本上解决问题。即使 是采用埘水不敏感的沥青混合料，也不能减小行车荷载在其中，“。生的高孔隙水压 力和变化的水流对混合料的翦叨和冲恻作用。不具水敏感性的沥青混合料只能囱 限地延缓路面的水损坏。因此，鼓台理最实用的减轻路面水损坏的方法应该足第 三种，即从结构本身入手。 设置路面内部排水系统，将积滞在路面结构内的水分迅速排除到路面和路基 结构外，有利于改善路面的使用性能，大夫提高其使用寿命。目前，美国已 经认识到水分是路面损坏的主要因素，将路面内部排水系统纳入美国一些州的路 面通用结构【1 0 】【1 1 】。美国加利福尼州运输局现正广泛使用沥青稳定排水基层 f a t p 鳓，对一些试验路段观察及对比分析结果表明：新的排水刚性路面平均寿命 至少比不排水刚性路面长5 0 ，新的排水柔性路面平均寿命至少要比不排水柔性 路面长3 3 【1 2 l 。加州的研究还表明：该州每年建造的路面，设置内部排水设施的 路面能节省11 0 0 万美元以上的费用【1 3 l 。因而采用内部排水设施所增加的费用， ，j 以很快从路面使用性能的提高、使用寿命的延长和养护费用的减少中得到补偿。 1 2国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 自2 0 世纪4 0 年代开始，由于大量修建高速公路和机场，路面排水问题已经 越来越受重视。m u i r 于1 9 4 2 年首先对美国4 8 个州的路面排水状况进行了调查， 结果表明【1 4 】，几乎所有严重破坏的路面部与水的进入有直接或间接的关系。之后 公路发达国家就逐渐认识到路面内部排水的重要性，重视路面结构的排水问题。 许多学者开始致力于路面结构排水系统的试验与研究工作。】9 6 7 年在美国召，门7 由美国、加拿大、英国、挪威、菲律宾、前苏联、西班牙、新两兰等国家参加的 国际路面排水问豚讨论会，对路面结构排水设计方法作了较全面的报告。 1 9 7 3 年，美国联邦公路局( n w a ) 制定了公路路面结构底面层排水系统设 计指南，对路面排水系统进行了综合研究。研究表明，当自由水f 主要来自表面 水渗透1 滞留在路面结构中时，在重交通作用下，路面的破坏速度比不含自由水时 快得多，水对路面结构的侵蚀是造成路面早期损坏的主要原因；具有良好路面排 水系统的路面总是比路面排水性能不良的路面更经济；增加路面结构厚度不如设 计良好的路面结构排水系统；具有路面结构排水系统设计的路面使用寿命比采用 传统设计方法设计的路面长得多。在f h w a 发表的一篇专题报告指出，所有高等 级公路都应设置路面结构排水系统，除非经济可行性证明路而结构排水系统不经 济，或者本地区的降雨量及频率过小，或者交通量过低【1 4 】。 法困也是率先研究道路基层排水并设置路面结构排水系统的国家之。h 本、 西欧一些匡i 家对路面排水的问题也卜分重视，几乎所有的高速公路都进行了路面 结构排水系统的设计。 f 1 1 表面水渗入率 1 9 7 4 年，美国的h h r i d g e w a y 在旧路面上进行了接缝与裂缝的表面水渗入 量试验。得到的结论是：当缝隙的携水能力小时，降雨历时要比降雨强度对路面 渗入量的影响大1 1 2 】。当渗入率为1 0 0 c m 3 h c m 时，路面缝隙的携水能力在降雨强 度为2 5 m 叫h 川、雨) 时即可达到，即影响表面水渗入量的主要因素是降雨历时。为 此，建议采用1 0 0 c m 3 m c m 的渗入率计算表面水渗入量。这一建议值己被美国 a a s h l o 的路面结构设计指南( 1 9 8 6 ) 采用。1 9 8 9 年，h a g e n 等还对横向接缝填封 情况对表面水渗入的影响进行了试验观测。结果表明，横缝填封的初期，渗水量 急剧减少，但两周后，即使表面上看上去填封料完好如新，渗水量也会恢复到填 封前的水平。因而接缝的填封仅在短期内起到阻止表面水下渗的作用。 f 2 1 透水性材料组成设计 国外用于排水基层、垫层和集水沟的透水性材料，主要是采用未经结合料稳 定的碎石、砾石和矿渣集料，或者由沥青或水泥稳定的碎石、砾石集料等。美国 一些州主要使用未稳定的排水层，衣阿华、明尼苏达和宾夕法尼亚州的透水基层 级配，基本上是将常规密级配骨料基层级配去除一部分细料而形成，见表1 1 。肯 达基和新泽西州的级配是直接以a a s 鲫r 0 骨料级配为根据。密执安和威斯康星 州的级配是通过备种渗水级配试验得到的。 表1 1朱稳定的透水性集料的级配 筛孔尺寸 通过下列筛孔( m m ) 的百分率( ) ( m m l 依阿华肯塔基密执安明尼苏达新泽西宾夕法尼砸戚斯康 5 0 8 1 0 0 3 3 11 0 ( 】1 0 01 0 0l ( h ) 2 5 41 0 09 5 1 0 01 0 09 5 1 0 01 0 0 1 9 16 6 1 0 05 2 1 0 09 0 1 0 0 1 2 72 5 6 0o 一9 06 0 ，8 0 9 53 5 - 7 03 5 6 52 0 5 5 4 7 5o 1 00 82 0 4 54 0 4 58 4 00 一l o 2 3 61 0 3 5o 55 2 50 。5 20 0 8 2 5 1 1 8 0 8o 一1 2 o 8 3 o 8 04 2 5 2 1 0 0 3 00 _ 1 5 o - 5 0 ，0 7 5o 60 2 0 3o 5 渗透系数 ( m d ) 1 5 26 1 0 03 0 56 l 6 1 03 0 55 4 9 0 另一些州则使用经过结合料稳定的透水基层。采用沥青或水泥稳定开级配集 料，可提高透水材料的稳定性和强度。同时一些试验测定表明，经结合料稳定 后集料的透水性下降不多( 见表1 2 ) ，而沥青稳定集料的透水性一般略大于水泥稳 定集料。表1 3 列出了国外所采用的沥青或水泥稳定透水集料的级配组成( 1 6 】。 表1 2结合料处治前后混合料渗透系数k ( m d ) 的变化 3 7 5 1 9 4 7 5 钉灰石砾石 集料 2 5 m m9 5 m m2 3 6 m m a 5 7a 6 7a 5 7a 6 7 无结合料 4 2 7 0 01 1 5 9 02 4 4 01 0 3 7 01 4 6 7 01 0 3 7 08 2 0 4 沥青稳定 3 6 6 0 01 0 6 7 51 8 3 09 4 8 51 1 2 2 46 9 8 41 0 3 7 0 水泥稳定 9 4 8 56 4 6 67 5 0 38 6 3 1 表1 3溉青和水泥稳定的透水性集料的级配组成 通过f 列筛孔( m m ) 的百分率( ) 渗透系数 编弓 3 7 52 51 91 32 9 54 7 523 6 1 1 8 o 3 00 0 7 5 ( m d ) a 11 0 09 0 1 ( ) o3 5 6 52 0 4 5o 1 0o 50 - 24 5 7 5 a 21 0 05 0 1 0 01 5 8 50 。5 a 31 0 07 0 9 85 0 _ 8 52 8 6 21 5 5 01 5 53 2 02 1 5o 一7o 一42 2 4 a 48 5 1 0 06 0 9 03 0 6 51 5 5 00 - 2 0o 1 50 5 a 51 0 09 5 1 0 02 5 6 00 1 00 - 59 4 8 5 a 61 0 09 0 1 0 02 0 5 50 1 00 5 1 1 2 2 4 c l】o o8 8 1 0 05 2 8 51 5 3 80 1 60 61 2 0 0 c 21 0 09 5 1 0 02 5 ，6 00 1 00 5 o 26 1 0 0 c 31 0 09 0 1 0 02 ( ) 一5 50 1 0o 一5 6 4 6 6 ( 3 ) 带排水层的路面结构设计 排水层不仅要起到迅速排除路表渗入水的作用，同时它还是路面结构的个 有机部分，要起到承受车辆荷载的作用。 美国有5 个州主要使用未经稳定的渗水材料，使用者认为它在结构上与密级 配集料基层相当。新泽西州对未稳定和用沥青稳定的排水基层材料进行了旋转剪 切和重复三轴试验，结果表明两者的承载能力与密级配骨料基层材料相似，在易 遭周期性洪水的某些试验路段施加了5 0 万次轮载，同样显示出良好的性能【。 使用经结合料稳定的排水基层的几个州也是这样认为的。 1 9 8 6 年，经过1 0 多年的使用经验和研究成果的积累，美国在路面结构设计 方法中将路面结构的排水质量( 以排除渗入路面结构内水分所需时间和一年内路 面结构处于饱水状态的时间比作为指标) 作为没计变量之一【1 5 j 。目前路面结构内部 排水系统在美国已成为一项常用的。l ：程措施。 ( 4 ) 施工工艺 美国许多州除铺筑和修整设备以外限制其他施工设备通过排水基层，并规定 摊铺沥青面层时，采用履带式摊铺机代替轮胎式摊铺机以便更好地分散荷载。北 卡罗来纳和西弗吉尼亚两个州要求路基和排水基层之间的过滤织物沿着排水层两 边缘缠绕或覆盖，加州还要求用足够的过滤织物将边缘集水管沟包裹缠绕，并放 置在排水基层低的一边。 1 2 2 国内研究概况 我国对路面排水系统的设计及研究尚处于起步阶段，“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作了较具体的研 究，但是对渗入路面结构内部自由水的排除研究较少。近年来，我国高等级公路 建设规模日益扩大，但是排水系统的发计远远不能满足要求，致使许多公路路面 早期损坏严重。： 程实践使得部分省份认识到路面内部排水的重要性，并开始考 虑在路肩及中央分隔带下设置排水盲沟。 f 1 ) 表面水渗入率 我国在表面水渗入率方面的研究始于1 9 9 6 年，同济大学在j 二海的旧沥青混凝 土路面和水泥混凝土上进行了表面水渗入率的试验测定。由于观测路段的缝隙情 况较r i d 2 e w a y 的严重，得到渗入率较大1 1 8 】。我国排水设计规范在综台上述考虑 后提出设计渗入率参考值为1 5 0 c m 3 1 1 c m 。但是表面水渗入量与缝隙的状况、 降雨强度和历时之问，尚未建立固定的或经济合理的定量关系。因此，目前采目 的渗入率值还是一个经验值，带有定的地域性。 f 2 ) 透水性材料组成设汁 我国目前试验路中主要采用结合料稳定集料，分别为水泥稳定和沥青稳定的， 主要应用于不同的路面结构中。在1 9 9 7 年上海远东大道结构排水试验路中，采用 的级配为美国加州的级配，由于几乎小含细集料，用油量仅为1 8 ，现场测试排 水效果良好。但是存在材料的渗透系数与力学性能及耐久性的平衡点选取的问题。 f 3 ) 带排水层的路面结构设计 我国现行的路面基层材料多为半川性基层材料，路面结构为强基薄面。排水 层在路面结构中处于何种层位、层厚多大等，除受排水能力限制外，还要满足结 构要求。在远东大道试验路的铺筑中，采用排水层替代二灰碎石基层上部的结构 方案。然而，排水层的强度、厚度是否能够满足基层上部的要求，排水层所处层 位是否可以向上调整，铺设排水层厉如何适当考虑排水质量指标等一系列问题都 需要对路面结构作进一步的分析研究。 ( 4 ) 施工工艺 我国对路面结构层排水的试验路的研究工作始于1 9 8 9 年，东南大学和江苏省 交通科学研究所在宁连一级公路上修筑了具有开级配面层和排水性基层的综合排 水系统试验路。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，1 9 9 6 年又在广东茂名3 2 5 国道上修建了沥青混凝土内部排水试 验路。我国排水基层试验路的修筑吸取了国外的施工经验，同时经过几段试验路 修筑经验的总结，取得了不少室内外试验和施工工艺的经验。如水泥稳定碎石排 水层施工要注意水灰比的控制，松铺系数1 1 7 1 2 2 ，6 t 8 t 光轮压路机碾压2 遍。沥青稳定碎石排水层施工要注意控制碾压温度，松铺系数1 1 5 1 2 0 ，6 t 8 t 光轮压路机碾压3 遍4 遍等。这些为我国道路建设中推广应用路面内部排水 系统奠定了一定的基础。但施工工艺的确定目前尚处于经验积累的阶段，对于4 i 同级配组成的材料有很大的局限性，且与室内试验中的各种成型方法缺乏联系。 1 2 - 3 存在的主要问题 路面内部排水系统在国外虽有近三寸年的修建和使用经验，但我国在此方向 刚刚起步，设置路面内部排水系统的重要性还有待人们认识和接受。在设计、施 工、养护等方面仍存在许多问题有待研究【2 1 】。 ( 1 ) 在水力计算方面，存在表面水设计渗入量的合理确定的问题。 ( 2 ) 在排水材料方面，存在排水材料的组成与渗透系数和力学性能的关系问 题。对沥青稳定碎石排水材料的渗透性能及抗水损坏性能的研究较少。 ( 3 ) 在结构设计方面，存在带排水层的路面结构设计的问题。与国外不同的是， 国外大多选用沥青碎石、粒料等作为柔性基层，国内目前大多采用半刚性材料作 为基层，两种路面结构形式的受力状态存在差异。 ( 4 ) 我国的原材料性质、施工工艺与国外存在一定的差异，导致直接采用国外 的设计级配与预期目的存在较大的差异。 ( 5 ) 在耐久性和养护方面，存在沥青稳定碎石排水层的水稳定性和防止排水设 施孔隙堵塞的问题。 1 3本文研究的主要内容 本文的内容是交通部西部交通建没科研课题公路路基路面排水施_ l 技术研 究的一个组成部分，目的是通过对国内已建成的高速公路的排水状况的渊查， 探讨功能上满足排水要求，结构f i 满足重交通作用要求的设置沥青稳定碎石排水 层的路面结构。为达到这个目标，通过结构分析和室内试验研究，结合张家界至 罗依溪公路的试验路段，对设置沥青稳定碎石排水层的路面结构、沥青稳定碎石 排水层的材料性能、设置内部排水系统的试验路段设计和施工等方面进行了研究。 主要工作和研究内容如下： r 1 ) 设置沥青稳定碎石排水层的路面结构分析 结合高等级公路沥青路面的典型结构形式，应用弹性层状体系理论进行结构 计算和分析，探讨沥青稳定碎石排水层的层位设置、材料参数的选取及其他结构 层材料参数变化对路面结构性能指标的影响。 ( 2 ) 沥青稳定碎石排水层材料的室内试验研究 在室内试验的基础上，对沥青稳定碎石排水层的材料性能进行研究，主要包 括孔隙率、渗透系数、抗压回弹模量和抗压强度等性能指标的测试方法研究及影 响因素分析，并对试验结果进行分析，寻求排水性能和结构性能的平衡点。通过 不同浸水条件下的性能试验，对混合料的耐久性能进行验证。 ( 3 ) 沥青稳定碎石排水层的综合设计方法 通过结构分析和室内试验分析结果，提出适用于沥青稳定碎石排水层材料的 综合设计方法。 ( 4 ) 试验路的设计 结合典型道路横断面型式，探讨依托工程试验路段的内部结构排水系统的布 置和设计，并提出开放交通后排水试验路实地测定渗透系数的方法。通过试验路 的修筑，验证结构分析和室内试验得到的结果，进一步积累沥青稳定碎石排水层 的施工工艺和施工质量控制、质量检验的经验。 第二章沥青稳定碎石排水层的结构分析 经典的路面设计方法很少考虑到排水。a a s h t o 法是一种在路面结构设计中 考虑了排水的经验设计方法，路面的使用性能以综合性能指标现时服务能力 指数p s i ( p r e s e n ts e r v i c e a b i l i t yi n d e x ) 表示f 2 2 】。计算公式如下： 】d 墅) k 酗酗讣9 3 6 蝌母0 2 0 + 簿+ 2 3 2 1 龇一( 2 ” o 4 0 + 二= o 式中：z 。标准正态偏差： s 。交通量预估和使用性能预估的总标准差： 叫结构数； m 。路基土有效回弹模量。 水的存在将导致基层和底基层强度下降，影响路面的使用性能。a a s h ，i o 路 面设计方法根据排水的质量和实际的含水量，采用排水系数优，和m ，修正路面结 构数蹦。a a s h t o 对路面排水质量的规定见表2 1 。 | 5 = 以i d l + n2 d 2 川2 + 3 d 3 卅3 ( 2 2 ) 式中：口，、口，、以在道路试验中确定的系数； d 、d 。、d ，沥青面层、基层和垫层的厚度； 聊，、帆基层和底基层的排水系数。 表2 1a a s h t o 对路面排水质量的要求 等级优 盘，良差很差 水排除时间2 小时 l 天1 周1 月永排不干 公路排水设计规范提出在路面结构内设置排水基层或排水垫层排水系统，但 是对排水基层的设置没有统一的规定，没有直接说明沥青稳定碎石排水材料的抗 压回弹模量的取值，也没有在结构计算中加以分析说明。在高等级半刚性基层沥 青路面结构中，基层材料多采用无机结合料稳定碎砾石，由于沥青稳定碎石排水 层材料孔隙率较大( 一般1 5 1 ，相对于沥青丽层和半刚性基层，其回弹模量值较 低。这就形成了一种“软”夹层结构，这会给路面结构带来什么不利影响，同时设 置沥青稳定碎石排水层可否取代部分结构层的厚度，这些问题需要通过结构分析 予以解决。 本章将高等级公路沥青路面的典型结构作为未设排水层的结构原型，首先从 设置沥青稳定碎石排水层路面可能的破坏原因分析出需要讨论的力学性能指标， 通过不同的设置层位分析排水层材料参数( 回弹模量和厚度) 的要求，探讨设置排 水层的路面结构的一些结构参数适宜的取值范围，并在此基础上运用灰色系统关 联分析方法，研究不同设置层位的优选结构和优选方案。 2 1设置排水层沥青路面的主要控制指标 2 1 1 设排水层的半刚性沥青路面破坏原因分析 自二十世纪八十年代以来，半刚性基层沥青路面是我国重交通道路上使用最 广泛的路面结构形式，正确认识和分析半刚性基层沥青路面的破坏原因，可以帮 助我们正确认识设置排水层的沥青路面的破坏模式。 半刚性基层沥青路面结构的特点是：基层刚度大( 模量 10 0 0 m p a ) 、强度高 ( 7 d 龄期r 1 o m p a ) 并随龄期增长，基层较厚( h 4 0 c m ) ，而面层较薄( 5 2 0 c m 之间) 【2 3 】。该结构的特点导致它的受力特点为：土基所受压应力及压应变较小， 半刚性沥青路面整体弯沉很小，沥青面层底面弯拉应力较小或者受压。因此，对 于半刚性沥青路面，由土基变形引起的车辙和面层的疲劳开裂已不是主要破坏形 式，其破坏原因可以从以下几个方面认识： ( 1 ) 裂缝仍然是半刚性基层沥青路面的主要破坏形式，但是导致裂缝的主因不 是行车疲劳，而是半刚性基层的反射裂缝及面层自身的低温缩裂。 ( 2 ) 半刚性沥青路面结构本身排水不良，是造成半刚性沥青路面早期破坏的重 要肇因。 ( 3 ) 半刚性基层底面所受弯拉应力、弯拉应变也有可能成为半刚性基层沥青路 面结构破坏的主要原因。 在沥青面层与半刚性基层之间加入沥青稳定碎石排水层，可在一定程度上减 轻由半刚性基层干缩引起的反射裂缝，同时具有一定透水性的沥青稳定碎石排水 层在功能上起到了排水的作用，解决了半刚性路面的排水问题，从而提高路面使 用性能，延长使用寿命。 但是，设置排水层的半刚性沥青路面结构在受力上与典型半刚性路而略有不 同。首先，这种结构仍然不能改变半刚性基层所受拉应力或拉应变最不利这一状 况，因此半刚性基层底面疲劳开裂仍然是导致这种结构破坏的主要原因之一；其 次，由于沥青稳定碎石排水层材料的弹性模量小于半刚性基层材料模量，沥青面 层底面所受拉应力、应变会略大于典型半刚性基层沥青路面的，因而面层出现疲 劳破坏的可能性较典型结构大。 综合以上分析，可以认为设置沥青稳定碎石排水层的半刚性沥青路面在功能 上减轻了半刚性基层的反射裂缝并且减少了水对路面的破坏，导致这种路面破坏 的主要原因是：面层的疲劳破坏、半刚性基层疲劳破坏和面层低温缩裂。 2 1 2 设排水层的半刚性沥青路面主要控制指标 目前，世界上一些著名的柔性路面设计方法，如舢法、s h e l l 法、比利时方 法等，都是以土基顶面压应变和沥青面层底面拉应力为主要控制指标，用于防i 柔性路面车辙和沥青面层疲劳破坏。 国外的主要设计方法均未将路表弯沉作为柔性路面主要设计指标，s h e l l 法尽 管提到了路面表面总变形，但也仅仅作为次要指标来考虑。与此相反，我国柔性 路面设计仍主要以路表弯沉作为指标，并验算沥青面层和基层的弯拉应力。 以路表弯沉作为路面设计指标，与土基项面压应变在控制路面结构整体变形 和车辙方面有一致性，但也不完全一致。因为弯沉和土基压应变存在相关性，实 际上弯沉在较大程度上反映了士基变形【1 4 j ，同时在总体上反映了路面结构刚度， 而且弯沉比土基压应变便于检测。 因此，对设置排水层的半刚性沥青路面进行结构分析时，应重点分析路表弯 沉，沥青面层底面、排水层底面、半刚性基层底面所受的弯拉应力或应变及土基 顶面压应变1 2 4 j 。 2 2典型结构分析指标和材料参数的选用 以多层弹性层状体系为理论基础，无论是路表弯沉还是弯拉应力的分析，除 原结构考虑了层间光滑情况之外，其余结构的层间接触条件都考虑完全连续的情 况【2 5 】。采用黄仰贤的k e n l a y e r 程序进行结构计算【2 2 】。 2 2 1 典型结构组成和各结构层参数 为了使分析反映出设置沥青稳定碎石排水层的半刚性沥青路面结构的受力特 点，采用六层体系：细粒式沥青混凝士上面层、中粒式沥青混凝土中面层、粮粒 式沥青混凝土下面层、密级配水泥稳定基层、级配碎石垫层和土基。各层材料的 模量均采用抗压回弹模量，考虑到基层模量实际值可能与规范值有较大差异，除 基层外，其他各结构层按照规范取值瞄j 。累计标准轴载次数取4 0 0 万次，容许拉 应力值按照高速公路规定的系数计算得到，见表2 2 。 2 2 2 力学计算图式 路表弯沉的计算点是双圆均布荷载作用下轮隙中心处的a 点；分析沥青混凝 土面层及半刚性材料基层的层底弯拉应力时，以双圆间隙中心点a 、单圆的内侧 边缘点b 、单圆半径的二分之一点c 以及单圆的中心点d 为计算点，取最大值作 为层底拉应力。力学计算图式见图2 1 。 表2 2 典型路面结构层参数 结构层 e ( m p a )碍( m p a )( m p a ) 细粒式沥青上面层 2 0 0 01 4o 5 4 8 80 3 5 中粒式沥青中面层 1 8 0 01 0o 3 9 2 00 3 5 粗粒式沥青下面层1 4 0 00 80 2 8 5 10 _ 3 5 密级配水泥稳定基层0 6o 3 2 2 00 2 5 级配碎石垫层3 0 00 3 0 土基3 00 4 5 2 3 设置排水层路面的结构分析 对设置排水层的路面结构分析时采用了三个结构模型： 些i 王i 卫! 王l 业! 王l p = 0 7 0 m p ap 一0 7 0 ) a 田卫卫卫卫匝田卫卫卫 沥青上面层 4 c m 沥青中面层 5 c m 沥青下面层 6 c m 密级配水泥稳定基层 旦i j 单位：c m 级配碎石垫层 2 0 c m 图2 1 力学计算图式 p = 0 7 0 m p ap = 0 7 0 m p 8 匝匝口工口【工皿 沥青上面层 4 c m 沥青中面层 5 c m 沥青下面层 6 c m 沥青碎石排水上基层 p c m 密级配水泥稳定基层? c 级配碎石垫层 2 0 c 土基 图2 3 设置排水上基层的结构图 土基 图2 2 原路面结构图 p = o 7 0 m p ap = o 7 0 m p a 匝田卫卫l 【_ l u 卫卫刀 沥青上面层 4 c m 沥青中面层 5 c m 沥青碎石排水下面层 ? c 密级配水泥稳定基层 ? c 皿 级配碎石垫层 2 0 c m 土基 图2 4 设置排水下面层的结构图 f 1 1 不设排水层的典型结构模型，见图2 2 ； ( 2 ) 设置排水上基层的结构模型，见图2 3 。 和基层之间设置排水层，故称之为排水上基层； ( 3 1 设置排水下面层的结构模型，见图2 4 。 层之间设置排水层故称之为排水下面层。 通过结构分析希望达到以下三个目的： 不改变面层参数，在沥青下面层 去掉下面层，在沥青中面层和基 ( 1 ) 确定设置排水层的路面结构中对沥青稳定碎石排水层的材料参数( 抗压回 弹模量和厚度) 的要求。 ( 2 1 在第一步完成的基础上，分析没置排水上基层的路面结构中路表弯沉、各 层底应力和土基顶面压应变等性能指标对其他路面结构层参数的敏感性。 ( 3 1 在第一步完成的基础上，分析设置排水下面层的路面结构中路表弯沉、 各层底应力和土基顶面压应变等性能指标对其他路面结构层参数的敏感性。 2 3 1 对沥青稳定碎石排水层的要求 ( 1 ) 沥青稳定碎石排水层模量的分析 沥青稳定碎石排水层的模量对整个结构受力状态产生很大的影响。分析排水 层模量的变化对结构各爪j 陛能指标的影响时，固定排水层厚度为8 c m ，考虑基层 模量为7 0 0 、15 0 0 、40 0 0 和1 00 0 0 m p a 的情况，并分别考虑了保持原结构总厚 度不变和原结构各层厚度不变两种情况。沥青稳定碎石排水层的模量从5 0 0 m p a 到14 0 0 m p a 变化，分别代入结构中进行计算。图2 5 和2 6 是基层模量为4 0 0 0 m p a 的计算结果，图中路表弯沉的单位是c m ，层底应力的单位是m p a ( 拉应力为负， 压应力为正1 ，土基顶面的压应变扩大了1 ( ) 0 0 倍。基层模量为7 0 0 、15 0 0 和 1 0 ( ) ( ) 0 m p a 的结果见附图1 、2 f 因为分析得到的影响趋势足致的，故未一列 出、。 由计算结果及图可见： ( 1 ) 沥青稳定碎石排水层模量的变化对路表弯沉、排水层底面应力、基层底面 拉应力和土基顶面压应变的影响很小。 ( 2 ) 沥青稳定碎石排水层模量的变化对面层底面应力的影响较大。随着排水层 模量的增加，面层底面应力由拉应力向压应力转变。在设置排水卜基层的结构中， 当排水层模量在10 0 0 m p a 时，面层底面的应力由拉应力转变为压应力：在设置 排水下面层的结构中，当排水层模量在11 0 0 m p a 时，面层底面的应力由拉应力 转变为压应力。 1 4 。r r - r r 。r _ n1 型。l 三望三；嘉鲤一鬻 l 岁纛筑1 ，_ - 五1 - 违 婶nq1 _ x * * _ * 十“球 一o 2 x - _ * 卜* + 9 ”1 1 o3 。 排水层模量( 1 0 0 m p a ) o 2 o 1 测 竖o 翌詈 一o 1 靶 一o 2 + 路表弯沉一面偿底 十持水层戚 * 一基层底 一土基顶面 j 车三j 三! 三! 三! j 三主i 学 恒；孝莆蔬4 - z 1 ，。，一 ) 舯_ _ 女_ _ * * _ p _ ( a ) 各层厚度不变 ( h ) 总厚度不变 图2 5 设置排水上基层沥青稳定碎4 i 材料模量的影响 一 一0 3 排水层模鼙( 1 0 0 m p a ) 一路表弯沉一面层底 + 排水层底 一基层底 一士毖顶面 迥 蜷 建 啦 排水层模量(