（道路与铁道工程专业论文）多孔水泥碎石排水基层结构与材料研究.pdf

摘要 当自由水渗入路面内部不能及时排出时，沥青和水泥混凝土路面都可能出 现水损害，结果导致路面严重破坏。为了有效迅速地将积滞在路面内部的水排 除路面外，提出在路面的面层下铺筑多孔水泥稳定碎石排水基层。 本文主要研究了多孔水泥碎石基层适用的排水性路面结构类型、排水系统， 以及多孔水泥碎石基层的材料组成设计方法与路用性能，并铺筑试验路验证其 在实体工程应用的效果。首先根据不同的条件对排水性路面结构进行了分类， 并布设相对应的排水设施，然后由水力计算的结果对排水设施的结构尺寸和材 料进行设计。其次采用体积法对多孔水泥碎石进行材料组成设计，通过室内试 验分析了级配、水泥用量、水灰比等因素等对混合料性能的影响，确定出各因 素的合理参数使混合料满足排水性能和强度的要求；拟定出多孔水泥碎石宜采 用的级配范围，提出关键筛孔( 最大粒径和4 7 5 m m ) 的通过率，以及室内试验 成型方式和最佳含水量的确定。最后对排水性能和路用性能进行了研究，得到 渗透系数的影响因素和室内外测试方法。在路用性能方面对强度和疲劳性能进 行了重点分析与研究。 为了研究实体工程中的应用效果，在河南驻马店铺筑了多孔水泥碎石试验 段，总结了排水基层的施工工艺和相对应的排水设施布设步骤，性能检测证实 试验段力学强度和渗透性能良好，达到了预期目的。 关键词：多子l 水泥稳定碎石， 排水基层，路面结构组合，排水设施， 渗透系数，疲劳寿命 a b s t r a c t w h e nt h ef r e ew a t e rt h a tp e n e t r a t e st h ei n t e r n a ls u r f a c ec a n tb ed i s c h a r g e di n t i m e ，t h ea s p h a l ta n dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tm a ys u f f e rw a t e rd a m a g e t h e n p a v e m e n ti sd a m a g e ds e v e r e l y i no r d e rt od r a i nt h ei n t e r n a lw a t e ro u tq u i c k l ya n d e f f e c t i c e l y , w es u g g e s t e dt h a tp o r o u sc e m e n t - t r e a t e dp e r m e a b l eb a s es h o u l db e p a v e du n d e rt h es u r f a c ec o u r s e t h i st h e s i sr e s e a r c h e dp o r o u sd r a i n a g ep a v e m e n ts t r u c t u r et y p ea n dd r a i n a g e s y s t e m s ，m a t e r i a lc o m p o s i t i o nd e s i g na n dp a v e m e n tp e r f o r m a n c eb a s e do np o r o u s c e m e n t - t r e a t e db a s e a n dt e s tr o a dt e s tw a sc o n s t r u c t e dt ov e r i f yi t sr e s u l t si nt h e p r a c t i c a le n g i n e e r i n g f i r s to fa l l ，r o a dd r a i n a g es t r u c t u r e sw o u l db ec l a s s i f i e du n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gd r a i n a g ef a c i l i t i e sw e r ed e s i g n e di n a c c o r d a n c ew i t ht h er e s u l t so fh y d r a u l i cc a l c u l a t i o n s ；s e c o n d l y , t h ev o l u m em e t h o d w a su s e df o rt h ed e s i g no fp o r o u sm a t e r i a l sc o m p o s e do fc e m e n ts t o n e t h r o u g ht h e l a b o r a t o r yt e s tw ed i s c u s s e dg r a d a t i o n ，c e m e n tc o n t e n t ，w a t e rc e m e n tr a t i oa n do t h e r f a c t o r so nt h em i x t u r ep r o p e r t i e s ，a n dd e t e r m i n e dt h e i rr e a s o n a b l ep a r a m e t e r st o m e e tt h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e w es t u d i e do u tt h es u i t a b l er a n g eo fp o r o u s c o n c r e t ec r u s h e ds t o n e ，a n dt h ep a s s i n gr a t eo fk e ys i e v e ( m a x i m u mp a r t i c l es i z ea n d 4 7 5 m m ) ，t h e np r o p o s e df o r m i n gl a b o r a t o r yt e s tm e t h o d s a n do p t i m u mw a t e rc o n t e n t f i n a l l y , w e r e s e a r c h e dp e r f o r m a n c eo fd r a i n a g ea n dp a v e m e n t ，a n dg o tt h e c o e f f i c i e n to fp e r m e a b i l i t yf a c t o r sa n dt e s t i n gm e t h o di n d o o ra n do u t d o o r a n a l y s i s a n dr e s e a r c hw e r ef o c u s e do na s p e c t so f r o a dp e r f o r m a n c ea n df a t i g u es t r e n g t h i no r d e rt oe x p l o r et h ei n t e r i o ro fe n g i n e e r i n gi nt h ee n t i t i e s ，w ep a v e dp o r o u s c e m e n tt e s ts e c t i o ni nz h u m a d i a no fh e n a np r o v i n c e f r o mt h es e c t i o nw ec o n c l u d e d p r i m a r yd r a i n a g ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ec o r r e s p o n d i n gd r a i n a g el a y o u t s t e p s p e r f o r m a n c et e s t sc o n f i r m e dt h em e c h a n i c a ls t r e n g t ha n dp e r m e a b i l i t yw e r e i n g o o da n da c h i e v e dt h ed e s i r e dp u r p o s e k e yw o r d s ：p o r o u sc e m e n t - t r e a t e dm i x t u r e sp e r m e a b l eb a s e ；p a v e m e n ts t r u c t u r a l c o m p o s i t i o n ；d r a i n a g ef a c i l i t i e s ；p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ；f a t i g u el i f e 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 近十多年来，我国公路一直保持着高速、持续、平稳的发展境况。至2 0 0 8 年底，我 国高速公路通车里程已经达到6 万多公里，位居世界第二。但是在良好发展的同时，公 路仍然出现了较为严重的早期损坏问题，路面使用寿命远达不到设计的使用寿命。通常 在通车两三年后路面就出现了较为严重的路面病害，不得不面临着大修，结果是不仅影 响了公路的正常运营，而且浪费了大量的人力与财力。很大部分路面出现早期损坏通常 是由于结构处于水饱和状态下承受重载车辆所引起的，尤其是在多雨季节地区，所以解 决水损害也一直是路面工作者研究的重点。 长期以来，我们沥青路面采用的大多是密实结构的面层和半刚性基层。据统计国内 高速公路中有8 5 以上为半刚性基层。这种路面结构推动了我国公路的快速发展，但不 容忽视的是水一旦进入路面结构内部，由于半刚性基层致密性，进入结构内部的水并不 能及时排除，这对路面破坏是致命的。水透过沥青面层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，形成各种形状 的裂缝并可能使路面产生网裂或变形，形成恶性循环最终导致路面损坏。因为混合料设 计、施工离析，中央分隔带渗水，裂缝，路面病害等诸多原因，在路面使用期间雨水不 可避免地渗入面层到达基层顶面。水泥混凝土面层由于接缝的存在，雨水也容易进入路 面内部造成损害，在水泥混凝土面层也都应该铺设排水基层，避免路面出现唧泥、冲刷 等破坏。公路排水设计规范也要求在特定的条件下重视内部排水的问题，也都是考 虑到这个因素i l j 。 因此，有效防治或减轻路面水损坏应从路面内部排水入手，即设置路面结构内部排 水系统。排水基层是路面结构内部排水系统的重要组成部分，它可以很好的改善路面使 用性能，多孔隙水泥稳定碎石排水基层正是基于这一考虑提出的。而未经处治的碎石施 工过程中会出现如强度不够、不易压实、容易离析、发生变形等许多问题，在高等级公 路建设中通常不考虑使用。多孔水泥稳定碎石排水基层( c e m e n tt r e a t e dp e r m e a b l e b a s e ，以下简称c t p b ) 材料，是一定级配的较少细料的集料与水泥结合在一起，经 适当的压实功压实后，形成一种具有稳定结构的多孔水泥碎石混合料。铺筑水泥稳定碎 石排水基层与排水系统目的是形成结构内部综合的排水体系，迅速排除积滞在路面结构 第一章绪论 内的自由水，解决路面的水损害问题，提高路面的服务质量，延长路面的使用寿命。而 且这种路面结构层力学行为接近于半刚性基层，它具有较高的强度和承载能力，板体性 好，取材方便、经济等优点，可以较好地适应高等级公路重交通、重载对道路的要求。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 关于水对路面的损害，很早就引起了人们的注意，并进行了相关的研究。1 9 7 3 年， 美国联邦公路局制订了路面结构内部排水系统设计指南【2 】，促使在公路建设中采用路面 内部排水系统。到1 9 8 6 年，又进一步在a a s h t o 设计指南中，把路面结构排水作为一 项设计因素考虑在内，现在在美国己成为一项普遍的技术措施。联邦公路局调查了曾使 用排水基层的1 3 个州【3 】，大多数州使用的排水基层级配只是在传统密级配碎石剔除一 部分细料或添加胶结料进行处治。美国明尼苏达州运输部进行的现场试验表明，排水基 层的排水量占降雨量的2 5 - - - 4 0 ，并且排水性基层通常在降雨结束后两小时内排走 9 5 以上的渗入水。美国f o r s y t h 等人在加里福尼亚州试验路段上得到了结论：有效的 排水不仅能延长路面寿命，而且还可取得明显的经济效益；排水系统对路面寿命有很大 影响。国外的一些对比分析和试验路段观察结果表d 刃t 4 1 ，设排水基层的路面，其使用寿 命要比未设的提高3 0 ( 沥青混凝土路面) 和5 0 ( 水泥混凝土路面) 左右。在美国，由 于路面结构层比较厚，对基层力学强度的要求相对也低些，较多的排水层都没有经过稳 定处理，而是有一定级配的集料组成。 德国也较早的研究过排水基层，在设计上表现有：在混凝土板下面采用10 c m 厚的 沥青材料或水泥处治的基层或贫混凝土，底基层是7 5 c m 厚的粒料层，从一侧向另一侧 是2 5 倾斜。在日本，路面内部排水较早的引起了重视，从1 9 8 0 年开始先后铺筑了许 多试验路，1 9 9 6 年出版了排水性路面技术指南，针对排水性路面的适用范围、结构 设计、材料组成、生产、施工、质量控制以及使用过程中注意的事项都有详尽的叙述， 为排水性路面的实践发展积累了丰富的经验。法国也是较早研究路面内部排水的国家， 在设置路面内部排水系统方面做了大量的研究，在1 9 7 4 年和1 9 7 6 年分别修建了多孔贫 水泥混凝土路面试验路。一+ 目前，在西方国家道路建设中，修筑排水基层与排水系统已成为一项常用的措施， 并得到了广泛应用。同时，科研工作者还在继续对排水材料及排水系统结构与材料的设 计、施工、养护、使用效果以及相关的试验方法和参数值等，进行着长期的研究工作。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 2 国内研究现状 相对于国外，我国对于路面结构内部排水研究较晚，在我国高速公路建设的初期， 并没有太多去关注内部排水的重要性。随着公路的发展和对路面病害的重视，较多的研 究人员认识到，渗入到路面基层的水对路面性能破坏很大，并也开始研究路面内部排水 系统和材料组成设计，逐渐积累了一些设计和施工上的经验。 排水基层的结构与材料组成，直接关系到路面结构的排水效果和使用性能。为此， 它应满足以下三方面的要求：( 1 ) 满足渗透性和空隙率的要求，保证在规定的时间内将 渗入排水基层的水排出。( 2 ) 满足强度的要求，保证基层达到必须的力学要求。( 3 ) 满 足稳定性的要求，保证施工操作的顺利进行。从材料组成上来看，排水基层主要是下面 三种：一是有一定级配的碎石集料组成，包含少量的细颗粒、无结合料，强度主要通过 颗粒之间的嵌锁来获得：二是多孔水泥或沥青稳定碎石类排水基层，结合料的用量常通 过试验或工程实践得到；三是多孔混凝土排水基层，这种材料水泥用量较多，也可以获 得较大的渗透性。 。： 近年来同济大学、东南大学、长安大学、长沙理工大学等多所大学和科研所都对排 水基层进行了研究。同济大学张鹏飞、吉星克、谢洪斌等人修筑了多孔水泥碎石、多孔 沥青碎石排水层试验段，为内部排水系统的推广与应用进行了大量的工作。1 9 9 0 年同 济大学当在江西省萍乡市修建了一段水泥混凝土面层的内部排水系统试验路，1 9 9 6 年 在广东省茂名3 2 5 国道上修建了沥青面层的内部排水系统试验路，之后又于1 9 9 7 年修 ：。 筑了上海远东大道试验路【5 】，1 9 9 8 年修筑了沪青平公路改建试验路，积累了设计和施工 上的经验。张鹏飞在对多孔水泥碎石的成型方式，材料组成设计，室内及现场功能评价 都做了大量的工作基础上，提出了渗透系数的估算和测试方法1 6 1 。同济大学李立寒等人 根据大量的室内试验，分析了水泥稳定碎石多孔性材料的组成与其空隙率、渗透系数、 强度和模量的关系，研究了集料级配、水泥用量等因素对性能的影响，并建立了相应的 回归公式1 7 。而对于多孔隙水泥稳定碎石而言，其级配组成中细料含量相当少，起到胶结 作用的主要是水泥净浆，因此在满足强度的前提下应选择合适的水泥剂量，且不会过多 地增加工程造价。吉青克等人通过对多孔水泥稳定碎石材料的透水性能及强度、抗变形 性，以及它在材料组成方面的影响因素进行研究，经过对大量试验数据的回归分析，提出 多孔水泥稳定碎石的组成设计【8 】。对于多孔性材料的强度，由于自身的多孔隙特点，并 不能得到期望的密实结构的强度，武汉理工大学的马威分析了多孔混凝土透水基层的结 构模型，从结构模型的优化考虑，通过加入添加剂与增稠剂增加接触点面积，提高集料 3 第一章绪论 水泥浆体界面的强度，作为基层受经济性的限制，当添加剂与增稠剂用量很大时这种方 式是否可取却值得考虑。 长安大学郑木莲在其论文多孔混凝土排水基层研究中通过正交试验设计提出多 孔混凝土强度与集料级配及水泥用量的关系( 分别针对两种不同的成型方法) ，并且通 过回归关系来确定适合的水灰比，最后提出了混合料配合比经验法。并且对多孔混凝土 排水基层的物理力学、排水、疲劳等性能做了细致的研究，为排水基层的材料研究提供 了参考和借鉴。r 随着对路面内部排水的重视和深入研究，我国在1 9 9 7 年制定并颁布了公路排水设 计规范，该规范从总体上介绍了路面内部排水系统的构造设计、材料组成、结构尺寸， 施工工艺等内容，但有些部分并没有给出明确细致的说明，这就需要我们使之细化和完 善。 尽管在混合料设计中较多人考虑了级配与空隙率、渗透系数之间的关系影响，但是 对于多孔水泥碎石的级配仍需重点研究。在级配的确定中，最基本的是实现其排水功能， 在此基础上要保证力学强度( 抗压、劈裂、抗折强度) 达到要求，为此需要进一步的研 究，如最大粒径的选择、粗、细集料的级配范围，关键筛孔的通过率等。对于这种大空 隙的试件，由于其自身的特殊性，试件成型的方法一直存在着争议，哪一种成型方式更 贴近现场施工，更能实现其功能，需要进一步研究来确定。多孔水泥稳定碎石排水基层 的材料组成设计，也期望该材料铺筑的路面结构层有一个很好的路用性能，即具有合适 的强度，良好的排水性能、抗裂性和疲劳性能，较长的服务水平。 多孔水泥碎石排水基层，它的适用范围需要根据实际需要和经济情况而定。由于它 在材料组成上与其它形式的半刚性基层的不同，自然在施工控制上也有所不同，所以理 应重视该种材料排水基层的施工工艺，包括拌和、摊铺、碾压主要环节等。在室外施工 的同时，要做好现场的检测，主要是抗压强度和渗透系数的控制上。 排水基层铺筑完成后，排水系统的铺设也同样很关键，要保证渗入内部的水通过排 水层以及排水系统迅速流出路基范围之外。我国地域广阔，气候、降雨条件也差别甚大， 排水性路面结构设计自然不同，路面排水系统也要与之相适应，因此排水性路面结构与 排水系统的结构组合设计需要重点研究，以供在不同地区和条件下修筑排水性路面提供 参考和选择。这种多孔隙水泥稳定碎石的耐久性、排水功能的持续性等都有待验证，所 以目前在我国并没有得到大范围的推广，施工养护技术并不成熟，这些方面都需要我们 今后去研究与完善。 4 长安大学硕士学位论文 1 3 主要研究内容和技术路线 1 3 1 研究内容 近十年来，我国在路面内部排水材料的研究不断深入，如多孔水泥稳定碎石排水基 层，逐渐积累了经验，但相对其它半刚性材料来说，研究相对不足，仍有较多地方存在 着争议。排水基层的设计要考虑排水层的厚度和渗透系数，排水层的性能则依赖材料的 级配、边缘排水系统、路面纵坡等。为了更为详细的了解多空隙水泥碎石排水基层性能， 并将这种排水基层在我国实践中得到应用与推广，本文将从以下几个方面着手： ( 1 ) 根据不同的交通、自然等条件提出适用多孔水泥碎石的排水性路面结构类别，并 做好排水基层与排水系统的结构组合设计，铺筑出相对应的路面排水系统，发挥最大的 排水效能。 ( 2 ) 对多孔隙水泥碎石材料设计做进一步的研究，以期望获得良好的路用性能。研究 混合料的级配、水泥剂量、含水量、成型方式、压实度等各因素对材料性能的影响，并 通过试验的方法研究确定各因素合适的范围，以及多孔水泥碎石的最佳成型方式和最佳 含水量，使之该材料结构层具有良好的强度和排水性能。 ( 3 ) 排水特性的研究：研究各组成成分对排水性能的影响，和表征排水指标的空隙率 和渗透系数测试方法，以及施工现场渗透能力的测定。 ( 4 ) 路用性能的研究：对多孔水泥碎石的力学强度和疲劳性能，温缩、干缩、冲刷等 鼙 性能进行研究，重点研究其力学强度和疲劳性能。 9 ( 5 ) 提出多孔水泥碎石排水基层施工质量控制包括拌和、摊铺、碾压等，现场质量评 价和边缘排水设施的布设方式，以及使用后如何有效地维护，以保持功能的持续性。 1 3 2 技术路线 本文围绕多孔水泥碎石排水基层排水性路面展开研究，重点研究排水性路面的结构 类别与排水系统，以及材料组成设计，而且对多孔水泥碎石的排水性能与路用性能进行 了分析，最后通过铺筑试验段论证其实际效果，由此确定本文的技术路线为： 5 第一章绪论 图1 1 多孔水泥碎石捧水基层的研究路线 6 长安大学硕士学位论文 第二章排水基层及排水系统的结构组合设计 路面设计主要包括材料的组成、结构的组合、厚度的计算等。关于多孔水泥碎石的 材料组成将在第三章中详细论述，本章将研究排水基层及排水系统的结构组合设计、水 力计算进行排水厚度确定和排水设施的布置等问题。排水基层及排水系统的结构组合设 计应根据工程所在地的气候、交通条件及其它要求来进行，结构组合既能使路面结构承 受行车荷载和自然因素的作用和保持结构稳定性，又能发挥结构的最大效能。 2 1 排水性路面结构类别 排水性路面在国外一些国家应用广泛，国内一些地方开始铺设试验路，并积累了一 些经验，但是排水性路面结构形式并不是唯一的，根据不同的降雨条件和交通量，需要 不同的排水性路面结构与之相适应，而且两侧铺设相对应的排水系统。 排水基层可以最大程度上解决水损害，它不仅适用于沥青路面，而且适用于水泥混 凝土路面。根据公路等级，气候降水条件、面层材料的不同以及实际工程需要，将排水 性路面结构组合类型分为三种： ( 1 ) 密实结构的沥青面层与多孔水泥碎石排水基层组合；( 2 ) 多孔结构的沥青面层与 多孔水泥碎石排水基层组合；( 3 ) 水泥混凝土面层与多孔水泥碎石排水基层组合。 2 1 1 密实结构的沥青面层与多孔水泥碎石基层排水性路面 这个排水路面结构形式的面层仍然是传统密实级配的沥青混合料，只是将基层铺筑 为多孔水泥碎石排水基层，当自由水经过面层渗透到排水基层时，利用边缘排水设施将 面层渗入到基层的水排出( 图2 1 ) 。 图2 1密实结构排水基层结构图 长期以来，我们沥青路面采用的大多是密实结构的面层和半刚性基层，水一旦进入 路面结构内部，由于半刚性基层的致密性，渗入的水会长期积聚于结构内部，这对路面 7 第二章排水基层及排水系统的结构组合设计 破坏是致命的。因为混合料设计、施工离析、中央分隔带渗水、裂缝等路面病害诸多原 因，在路面使用期雨水渗入面层到达基层顶面几乎是不可避免的。水的渗入降低了面层、 基层甚至底基层材料的强度，水透过沥青面层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，并可能形成裂缝使路面 产生网裂或变形，形成恶性循环最终导致路面损坏。 这种路面结构组合主要是用于面层为沥青混合料结构，降雨量较大、容易遭受路面 水损害的地区；由于面层结构不变，能够保持较好的力学性能，也适合在高等级公路、 重交通地区修筑。这种排水性路面由于面层是密实结构，渗入水量不会很大，多孔水泥 碎石基层空隙率可以根据需要设计为1 5 - 2 0 。 在传统的密实结构面层下铺筑多孔隙水泥稳定碎石排水基层，可以凸显以下优点： ( 1 ) 有效防治或减轻路面水损坏问题，将渗入路面内部的水及时排出，提高路面的服 务质量。( 2 ) 适用范围广，这种路面结构可以在很多等级的公路中运用，如高速公路， 也可以在城市道路中铺设。( 3 ) 路面内部排水系统解决了路面水损害问题，避免或减少 路面早期的破坏，延长路面的使用寿命。 这种类型的路面不足之处：( 1 ) 增加成本，边缘排水设施的布置和排水基层的材料 要求都会使成本增多，国外的实践经验表明铺设这种路面结构的成本会增加2 0 左右。 ( 2 ) 可借鉴的设计和施工经验少，至今还没有排水性路面设计和指导施工的规范，在 推广和应用中存在着难度。 2 1 2 多孔结构的沥青面层与多孔水泥碎石基层排水性路面 这种路面结构是面层与基层都排水的路面结构形式，面层由较大空隙率的沥青混凝 土组成，基层仍采用多孔水泥碎石基层( 图2 2 ) 。它允许路表水进入面层，可以减少地 表径流量和地表积水，而且因为大空隙的存在，具有降噪和缓解城市热岛效应功能，多 孔排水性路面雨过天晴之后，结构内部的毛细水通过自然蒸发，降低路表面温度。 图2 2 全透式结构捧水基层结构图 罾 长安大学硕士学位论文 这种路面结构组合主要是用于面层为沥青混合料结构、降雨量较大的地区，适合在 中轻交通地区修筑，也适合在城市道路和公共设施区修建如公园、停车场、广场等，不 建议在重交通路面结构下使用这种结构形式。由于面层和基层均为透水性材料，为了保 证水流自上而下顺利渗流，要求多孔水泥碎石的渗透性要大于面层材料的，一般多孔水 泥碎石空隙率在2 0 - 2 5 ，具体要视实际情况而定。 这种路面结构的路用性能也有着突出的优点：迅速排出路表积水，提高路面的抗滑 性；减少雨天的溅水现象和路面的反光，提高行车安全性；降低车辆行驶产生的噪声， 提高道路交通环境；减少路面的水损害。 这种排水性路面结构在拥有诸多优点的同时，也暴露出不少的缺点。由于结构自身 多孔特性的制约，导致其力学强度不够和结构的承载力相对较小；在路面的使用过程中， 空隙容易被污物碎屑、灰尘堵塞，以致失去排水的功用。这种路面结构的研究重点是提 高结构的耐久性和承载力，防止空隙的堵塞保持功能的持续性。 排水基层可以根据实际需要分为上、下两层铺筑，在雨量较大时，下基层可以作为 鼻l 储水层，待雨量小时排出层间的水。同时当雨量较大时，雨水对面层与基层都是一个有 效的冲洗，可以减小空隙的堵塞。一般根据当地降雨量的大小和实际交通需要，来确定 出多孔结构沥青面层和多孔水泥碎石排水基层的空隙率和渗透系数。 2 1 3 水泥混凝土面层与多孔水泥碎石基层排水性路面 水泥混凝土路面因为其稳定、耐久、强度高等特点在城市道路和高速公路中运用广 泛，但是存在一个较大问题是：雨水通过接缝、裂缝和路面边缝隙渗入到板底，在车辆 动荷载的重复作用下，形成有压水对基层顶面进行冲刷，细粒从接缝处被带到路面上产 生唧泥现象。特别是在南方多雨地区，这种现象更为严重。基层的主要功能是为面层提 供均匀的支承，而常用的基层材料为密级配水泥碎石基层等致密材料，难以排除渗入的 水分，所以容易发生冲刷和唧泥现象，结果会破坏基层、底基层强度与稳定性，进而影 响整个路面结构的使用性能。水泥混凝土面层与多孔水泥稳定碎石基层排水路面正是基 于有效防治或减轻路面这种水损坏考虑，将渗入路面内部的水及时排出，避免出现水泥 混凝土板常发生的冲刷和唧泥现象，延长路面的使用寿命。 9 第二章排水基层及排水系统的结构组合设计 图2 3水泥混凝土路面排水基层结构图 这种路面结构组合主要是用于路面的面层为水泥混凝土路面结构，将通过接缝、裂 缝渗入到水泥混凝土路面的水排出( 图2 3 ) 。它适用于当地降水较为丰富、雨季较长的 地区，雨水的渗入对路面内部存在潜在的威胁，雨水可能会长期滞留路面的地区，也适 用于重交通条件。这种类型的排水路面主要是排出通过水泥混凝土裂缝、接缝渗入路面 内部的水，具体根据实际渗入量确定目标空隙率，一般为1 5 - - 2 0 。 这种排水性路面结构形式优点主要有：可以将通过裂缝、接缝渗入路面内部的水迅 速排出，减少行车荷载对路面的破坏；可以因地制宜，根据实际降水量确定出路面结构 所需的空隙率，做到路面材料和路面性能的统一；减少水泥路面的早期病害，自然的提 高路面使用性能，增加路面的使用寿命。 但是它的不足之处有：初期的修筑成本较高，主要投入在排水设施的布置上。空隙 容易被接缝和裂缝中进入的飞尘杂物堵塞，导致排水功能减退，后期维护困难。 2 2 排水基层及排水系统的结构组合 以上三种排水性路面结构类别都需要铺筑排水基层，本文排水基层研究的主要是多 孔水泥碎石。排水基层不仅要满足排水和结构的要求，而且要求与排水系统的组合良好 发挥其最大效能，这样进入该层的水不会继续下渗，并通过排水系统迅速排出。根据不 同的降雨量、交通条件，铺设与三种排水性路面结构相对应的排水系统。 2 2 1 密实结构的沥青面层与多孔水泥碎石基层及排水系统 这种形式的路面结构在路面新建初期，面层路面功能完好，病害很少，雨水也很少 进入路面内部，基本上都是通过路表排水的方式将水排走，排水基层很难发挥它的优势。 随着路面的投入使用，路面出现裂缝、剥落、松散等破坏，在降水过程中，水会沿着这 些发生破坏的结构薄弱处渗入、积聚，此时水通过排水基层竖向下渗、而后横向排到排 1 0 长安大学硕士学位论文 水沟，最终由横向排水管排出。 这种形式的多孔水泥碎石排水基层沥青路面结构宜与边缘排水设施相组合。多数情 况下渗水量并不是很大，但是对路面的破坏却是致命的。边缘排水系统分为浅排水沟式 和深排水沟式两种形式( 图2 4 、2 5 ) ，当无明显的冰冻深度、无地下水时，可采用浅 排水沟式边缘系统，即排水沟底部与路面中排水层的底部平齐；当有明显的冰冻深度， 采用深排水沟式边缘系统，即排水沟底部深入到排水层以下的基层或底基层中。边缘排 水系统的渗流时间较长，路面结构处于潮湿状态的时间要比排水层排水系统长些，因此 横向出水管的间距不宜过长，一般要求在4 0 5 0 m 左右。 边缘排水系统是沿路面边缘设置透水性填料的排水沟、纵向排水管、横向出水管和 土工布等。渗入路面基层内的水分，先沿路面结构层的层间空隙或经排水层底面的横向 坡度流入排水沟，并积聚至沟内底部带孔的纵向排水管中，再由纵向间隔一定距离布设 的横向出水管引至路基外。但是在路堑和填挖结合路基的挖方一侧，应谨慎设置出水管， 防止边沟的水倒流至排水沟，可以先将排水沟中水汇集至排水沟或桥涵与路基结合处出 盘 水管排出。 图2 4 浅排水沟式捧水系统图2 5 深排水沟式捧水系统 2 2 2 多孔结构的沥青面层与多孔水泥碎石基层及排水系统 这种排水性路面是一种全透式排水性路面，面层与基层都是大空隙混合料，渗入到 路面的雨水通过各透水层的层间空隙和横向坡度经排水设施排出( 图2 6 ) 。这种排水路 面与排水设施的组合形式可分两种，根据需要在路基顶部设置封层，通过封层阻挡水下 渗并沿横向排水设施排出。也可不设置封层，雨水直接下渗到路基下，补充地下水，改 善地下水的生态平衡。在后者情况下其适用范围受很大的限制，它要求路基的渗透性要 高，也不宜在重交通条件下使用。 排水层可采用横贯路基整个宽度的形式，不设纵向排水沟和排水管以及横向出水 管。渗入排水层内的自由水横向渗流，直接排泄到路基坡面外。这种形式便于施工，但 第二章排水基层及排水系统的结构组合设计 主要缺点是，排水层在坡面出口处易于生长杂草或被其它杂物堵塞，从而在使用几年后 便不再能排泄渗入水，而集中积滞在排水层内的自由水反而使路面结构，特别是路肩部 分，更容易出现损坏。 没有铺设边缘排水设施时，排水基层的铺筑要延伸到公路边坡，基层边坡处要进行 干砌片石防护，以保证路面内部的水顺利排至边沟，并且提高边坡的稳定性，这种铺筑 的基层称为全宽式排水基层。当沥青面层为大空隙的混合料时，建议排水基层采用全宽 式排水基层，需要注意的是全宽式排水基层要保护出水口处不被杂物污染而堵塞，否则 进入的水排出很困难。 图2 6 全宽式捧水基层排水系统 全宽式排水基层系统有排水基层、隔离层、土工织物、边沟等几部分组成( 图2 6 ) 隔离层是这种排水路面及排水系统的重要组成部分，其作用主要是防止细粒土在水的作 用下进入基层或底基层，而且分散上层传至下层的荷载减小变形。隔离层可采用小颗粒 密集配集料或土工织物，较多的采用土工织物，因为它具有更好的透水和过滤功能。如 果阻止水继续下渗，期望将水从排水基层底部流出，就要根据需要铺设改性乳化沥青封 层，及时将水引出，保证路基或底基层的强度及稳定性。 2 2 - 3 水泥混凝土面层与多孔水泥碎石基层及排水系统 这种排水性路面组合就是水泥混凝土面层与多孔水泥碎石基层及排水系统的组合， 能将通过水泥混凝土路面接缝、裂缝进入路面的水及时有效的排出。水的流入路径是在 水泥混凝土面层下渗、积聚至排水基层，通过排水基层的横坡以及重力作用下流向路肩 下的纵向排水沟，再通过横向排水管将水引至路基外的边沟( 图2 7 ) 。 1 2 长安大学硕士学位论文 图2 7 水泥混凝土路面排水基层及排水系统 这种结构能够减小南方多雨地区水泥混凝土路面的水损害，消除动荷载下形成有压 水对基层顶面冲刷产生的唧泥现象。这种排水性路面组合包括水泥混凝土面层、多孔水 泥碎石排水基层、封层、土工织物、纵向排水沟，带孔排水管、横向出水管( 图2 7 ) 。 各个部分组成一个整体，既保证能有效、持续的发挥排水功效，将渗入基层内部的水及 时排至边沟，又不因细粒土、灰尘等物质堵塞空隙。各个组成部分材料要求与前面相似， 各种排水沟、排水管、出水管通过水力计算得到。 2 3 水力计算 水力计算对于排水性路面的设计很重要。它不仅直接关系到路面结构的设计，也关 、系着排水设施的设计。既要确定出道路所在地区的降水量，也要考虑到道路面层的实际 渗入量，以此来进行路面结构和材料的设计，对排水设施进行设计与布置，如确定出排 水沟、纵向与横向排水管、边沟等尺寸。水力计算中主要考虑降雨强度和表面入渗率。 在降雨的初期，雨水对面层是浸润的过程，此时并未有表面径流和雨水的下渗，当降雨 量大于面层对水的容纳量，面层材料自身和空隙都出现饱和，浸润过程结束。随着降雨 的继续，路表面开始有水粒积聚以致产生表面径流。由于路面层并不是完全不透水的， 雨水在重力和毛细管力的作用下沿着裂缝、接缝的空隙继续下渗到达于基层，并在排水 基层底部蓄积、流动，最终通过排水系统排出。 2 - 3 1 降雨强度的影响 在我国地域宽阔，气候条件差异巨大，降雨的强度和频率也不一样，不同的地区要 具体考虑当地的最大降雨强度( 表2 1 ) ，以期望排水基层确定一个合适的目标空隙率， 这样就能与实际情况相符合。 1 3 第二章排水基层及排水系统的结构组合设计 表2 1 我国部分城市暴雨强度统计表 城市北京 上海 西安武汉太原兰州南京 降雨入渗强度( m m m i n ) 3 4 3 32 9 6 71 8 1 72 8 5 01 3 5 01 6 1 72 5 3 3 从我国的几个城市暴雨强度数值来看，不同地区的暴雨强度差异很大。例如北京的 降雨入渗强度为3 4 3 3m m m i n ，而太原仅为1 3 5 0r a m r a i n ，所以在水力计算中，该地 区的降雨强度是考虑的首要因素，它直接决定着排水层材料设计，并由此确定出结构层 合适的空隙率和渗透系数。 2 3 2 路表渗入率 在已知降雨强度的条件下，路面内部渗水量主要取决于路表的渗入量以及面层的渗 透能力。影响路表渗入率大小的主要是路面面层的结构形式和面层的破损程度。面层为 大空隙沥青混合料的则渗入率自然会大，水泥混凝土面层次之，密实沥青混合料面层结 构最小。面层破损的越严重，渗入率也越大。在分析面层破损的诸多因素中，路面的接 缝、裂缝是影响渗入率大小的主要因素。 路表渗入率受很多条件的影响，如降雨量、降雨的持续时间、面层混合料的空隙率、 表面的破损情况、路面横坡等，其中有些条件是变化的。所以在路表渗入率大小的确定 上很困难，也很难预测，通常在路面设计中，路面的渗入率一般都是按照经验值来取。 r i d g e w a y t 8 1 在旧路面上进行表面水渗入率的多次试验，结论认为可以用裂缝、接缝 的渗入率来估算路表的渗水率，设计的时候可以按照每厘米缝l o o c m 3 ( h c m ) 0 1 铲 ( h r ) 】来估算，并通过试验结果分析得到水泥和沥青路面的表面渗水量的计算公式。 但是他对表面渗入率的影响因素考虑单一。美国的c e d e 孵n 【4 】通过调查大量地区，提 出了用降雨强度拟合方法来计算表面渗入率。他认为表面水入渗与路面的诸多因素有 关，实际路面情况也很难了解清楚，建议采用当地的降雨强度来计算表面渗入率。在 f h w a 设计指南中一般采用降雨强度的1 3 到2 3 作为路表入渗的值。 我国排水规范的计算公式是依据同济大学在上海旧路面进行的表面渗入率的测试 结果分析总结而得，并参照了美国的路面设计指南，主要也是考虑路面的接缝、裂缝对 表面渗水的影响。在我国现行的公路排水设计规范中，渗入路面结构的表面水量， 按路面类型由下列公式计算确定： d 水泥混凝土路面： q i = l ( n ：+ n h 等) ( 2 1 ) l 沥青路面： q f = l b ( 2 2 ) 1 4 长安大学硕士学位论文 式中： q 一纵向每延米路面结构表面水的渗入量 m 3 ( d m ) 】； l 一每延米水泥混凝土路面接缝或裂缝的表面水的渗入率 m 3 ( d m ) 】，可按 0 3 6 m 3 ( d m ) 取用； l 每平方米沥青路面地表面水的渗入率【m 3 ( d m ) 】，可按o 1 5 【m 3 ( d m ) 】 取用； b 一单向坡度路面的宽度( m ) ； 【广一水泥混凝土路面的横缝间距( m ) ； 1 1 ，川长度范围内纵向接缝和裂缝的条数； n 。一l 长度范围内纵向接缝和裂缝的条数。 例如：某一沥青混凝土高速公路，拟采用排水基层排水系统，请计算表面水渗入量。 单向行车道路面宽7 5m ，排水基层的上侧边缘超出路面边缘0 5 m ，下侧边缘超出路面 边缘1 0m ，其总宽度为9 0m 。取表面水的设计渗入率l = o 1 5 m 3 ( d m ) 】，安 全系数为2 ，则纵向每延米沥青路面的表面水渗入量为： k q = l a b = 2 x o 1 5 x 9 = 2 7m 3 ( d m ) = 0 0 0 0 0 3 1 2m 3 ( s m ) 2 3 3 排水层厚度的确定 对于排水性路面厚度应满足力学性能的要求，有足够的强度、刚度和良好的水稳定 性等，首要满足排水性能的需要。在水力计算中理想状况是路表径流量为零，要求是出 水速率等于透入水速率，期望降雨结束时能将进入路面内部的水迅速排出，如果出水速 率较小，透入水将会在路面内部积聚并且增加，影响路基路面的强度和稳定性；如果出 水速率略小于透入速率，会有一部分水滞留在排水基层，当排水基层厚度较大时，它也 可以作为储水层，作为临时储水之用，当降雨结束时会较快排出。当排水基层中水较少 而不能流出时，水会暂时被排水基层吸收和储存；当排水层中水达到一定高度时，水会 在重力作用下沿着横坡的梯度流动。 排水层的厚度与排水的功效也联系紧密，常通过该结构层的渗透系数来计算出。从 国外的工程经验来看，排水基层一般在l o - 1 5 c m 之间。 当估算出设计表面水渗入量时，就可以进行排水基层厚度的设计。公路排水设计 规范中，利用达西定律确定纵向每延米排水基层的泄水能力： 1 5 第二章排水基层及排水系统的结构组合设计 q o = k b i h h ( 2 3 ) 式中： 吒排水基层材料的渗透系数( 1 州) ；厶基层横向坡度；厅排水基层 厚度( m ) 。 排水基层的泄水能力是透水材料渗透系数和基层厚度的函数，当表面水渗入量一定 时，渗透系数和基层厚度是一一对应的。可以先选定透水材料，而后依据其渗透系数确 定所需的排水基层厚度。 利用q o = k b i h h ，假定q 0 - 2 7m 3 ( d m ) ，为0 0 2 ，则可以算出透水材料渗透系 数和基层厚度的对应关系，见表2 2 。 表2 2 渗透系数和基层厚度的对应关系 基层的渗透系数( e r a s ) 1 9 51 5 6 1 3 0 o 8 70 7 8 0 5 2 排水基层厚度( c m )81 01 21 52 03 0 从计算的结果看得出，基层的渗透系数和基层厚度存在相互的影响，当排水基层厚 度为8 c m 时，要求基层渗透系数较高为1 9 5c m s ；当排水基层厚度为1 5 c m 时，要求基 层渗透系数仅需o 8 7c m s 。由计算分析结果和实际施工考虑，排水基层的厚度应在1 0 - - 1 5 c m ，推荐厚度为1 5 c m ，相应材料的渗透系数要求不小于0 8 7c m s ，经济条件允许下 可铺筑两层为3 0 c m 。 2 3 4 水在排水层的渗流时间计算 参照美国的a a s h t o ( 1 9 9 3 ) 路面排水设计的标准，水排出路面所需的时间为两 小时，排水效果较好；时间为一天时，效果良好；时间更长时，效果就不理想。当道路 为重交通道路时，排水时间越短越好，期望在两个小时内排出。 根据公路排水设计规范，在已知的条件下计算得到水在排水层的时间，具体公 式有： ， ，= 三l ： ( 2 4 ) 自3 6 0 0 v , t = b 驴k ，而 刀e 1 6 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 长安大学硕士学位论文 其中： ，一渗流时间( h ) ；三，一渗流路径长( m ) ；k 一渗流速度( 1 i l s ) ； 吒一材料的渗透系数( r n s ) ；n e 一材料的有效空隙率。 例如：假定某一沥青混凝土高