（岩土工程专业论文）多雨地区高等级公路透水基层结构与材料研究.pdf

多雨地区高等级公路透水基层结构与材料研究 摘要 ，在路面结构内部设置透水基层，将极大改善路面结构的使用性能和延 长道路使用寿命。论文从路面水损坏的原因入手，对两种透水基层材料进 行了试验研究和结构力学分析。 对水泥稳定碎石透水材料和沥青稳定碎石透水材料组成进行了室内试 验设计。对两种透水材料的透水性能、力学性能进行了各种因素的影响分 析，研究了其变化规律。提出了两种透水材料的评价指标。利用多目标决 策方法叫o p s i s 方法对透水材料组成进行了综合评价，验证了该方法的 有效性。 本文进行了沥青稳定碎石透水基层水泥混凝土路面结构在车轮荷载作 用下应力分析的初步探索，在面层和透水基层参数变化的情况下，利用 a n s y s 软件分析得出路面结构荷载应力的变化规律。 基层反射裂缝在沥青路面裂缝中占有很大的比例，本文研究了两种透 水基层裂缝对沥青路面的影响，判断出沥青稳定碎石透水基层对沥青路面 反射裂缝的影响要小于水泥稳定碎石透水基层。并对水泥稳定碎石基层沥 青路面结构提出了改进措施。 关键词：沥青稳定碎石透水材料水泥稳定碎石透水材料透水基层孔 隙率渗透系数抗压回弹模量荷载应力 i s t u d yo ns t r u c t u r ea n dm a t e r i a lo f h i g h g r a d eh i g h ，a yo np e r m e a b l eb a s el a y e ri n r a i n ya r e a a b s t r a c t i m p r o v i n gt h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo ft h ep a v e m e n ts t r u c t u r 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 ew i l lb ee x p e c t e db ys e t t i n gu pt h ep e r m e a b l eb a s e l a y e ri nt h ei n t e r i o ro fp a v e m e n ts t r u c t u r e b a s e do nt h ew a t e rd a m a g ef a c t o ro f p a v e m e n t ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya n ds t r u c t u r em e c h a n i c sa n a l y s i so nt w ok i n d s o f p e r m e a b l eb a s el a y e rm a t e r i a li sd e v e l o p e di nt h i st h e s i s a nl a b o r a t o r yo nt h ec e m e n ts t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n ep e r m e a b l em a t e r i a l a n dt h ea s p h a l ts t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n ep e r m e a b l em a t e r i a lh a sb e e nd e s i g n e d i t s h o w si n f l u e n c ef a c t o r so nt h ew a t e rp e r m e a b i l i t ya n dm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e o ft w ok i n d so fm a t e r i a l s ，i t sc h a n g er u l e se t c s o m ee v a l u a t i o ni n d e x e so nt h e s e p e r m e a b l em a t e r i a l s a r ep r o p o s e d a n q u a l i t ys y n t h e t i c e v a l u a t i o nt ot h e p e r m e a b l em a t e r i a lc o m p o s i t i o ni sp r o p o s e db yt h em u l t i o b je c t i v ed e c i s i o n m e t h o d 一一t o p s i sm e t h o d e x p e r i m e n t ss h o w st h ep r o p o s e dm e t h o di s e f f e c t i v e a n i n i t i a t o r ys t u d yo nt h es t r e s sa n a l y s i so fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tw i t h a s p h a l ts t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n ep e r m e a b l eu n d e rv e h i c u l a rl o a d ：ac h a n g er u l e o fs t r u c t u r el o a ds t r e s sw i t hd i f f e r e n ts l a b sa n dp e r m e a b l eb a s el a y e r sc o m p u t e d b ya n s y si ss h o w e di nt h i st h e s i s i i t h eb a , s er e f l e c t i o nc r a c kh o l d st h ev e r yg r e a tp r o p o r t i o ni nt h ea s p h a l t p a v e m e n tc r a c k ，t h ei n f l u e n c eo ft w ok i n d so fp e r m e a b l eb a s el a y e rc r a c kt ot h e a s p h a l tp a v e m e n t i sd i s c u s s e d i tc o n c l u d e st h a tt h ei n f l u e n c et o a s p h a l t p a v e m e n tr e f l e c t i o nc r a c kc a u s e db ya s p h a l ts t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n ep e r m e a b l e b a s ei sl e s st h a nt h eo n ec a u s e db yc e m e n ts t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n ep e r m e a b l e b a s e a n da ni m p r o v i n gm e a s u r et ot h ea s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r ew i t hc e m e n t s t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n eb a s el a y e ri sp r o p o s e di nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：a s p h a l ts t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n ep e r m e a b l em a t e r i a l ；c e m e n t s t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n ep e r m e a b l em a t e r i a l ；p e r m e a b l eb a s el a y e r ；a i r v o i d s ；c o e f f i c i e n to fp e r m e a b i l i t y ；r e s i l i e n tm o d u l u s ；l o a d i n gs t r e s s i i i 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 砂奄年 舌月哆日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 忆面时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文储繇椒聊虢拈j 比游6 月眵日 广西大掌硕士掌位论文多雨地区高等级公路透水基层结构与材丰栩f 究 1 1 课题研究背景 第一章绪论 近十年来，随着我国经济的高速发展，我国高等级公路建设也有了迅速发展。高等 级公路交通量大、车速快、对路基、路面的强度和稳定性都提出了较高的要求。水泥混 凝土路面和沥青混凝土路面是高等级路面的重要结构形式，长期以来得到世界各国的广 泛应用。我国从2 0 世纪8 0 年代以来，水泥混凝土路面和采用半刚性基层的沥青路面得到 了迅猛发展。 目前国内外广泛应用的路面基层主要有三大类型：( 1 ) 刚性基层，如贫混凝土和 碾压混凝土；( 2 ) 半刚性基层，如无机结合料( 水泥、石灰一粉煤灰) 稳定粒料( 碎石 或砾石) 和土；( 3 ) 柔性基层，如沥青稳定类及碎( 砾) 石等粒料。 当前，我国水泥混凝土路面大多采用半刚性基层材料，该类基层具有以下优点；较 高的强度、承载能力和分布荷载能力；较好的水稳性和冰冻稳定性；较高的抵抗行车疲 劳破坏能力；板体性好，利于机械化施工而且工程造价低【1 1 。但是半刚性基层也存在很 多缺点：基层材料内部含水量的变化会发生干燥收缩现象，易产生干缩裂缝，基层内部 的温度变化和温差会引起温度收缩现象，易产生温缩裂缝，且基层材料抗冲刷能力较差。 因此从水泥混凝土面层渗进来的水通过这些裂缝下渗到基层中，受水侵蚀后引起的唧泥 现象是导致混凝土路面板底脱空、错台和断裂的直接原因。现行规范虽然对基层提出了 抗冲届i 。力及刚度要求，但仅局限于定性建议，材料组成与结构设计中未提出定量指标。 虽然规范建议采用沥青混凝土或沥青稳定碎石基层，但此类基层用于水泥混凝土路面在 国内尚未见报道，其结构设计和材料组成还需进一步进行理论研究与实践检验。此外， 贫混凝土与碾压混凝土等刚性基层虽然具有良好的抗冲刷性能，但这种基层在我国的适 用性问题需要进行研究。同时我国水泥混凝土路面实践中很少关注基层顶面和水泥混凝 土面板之间的隔离层等相关问题。半刚性基层的沥青混凝土路面，这种路面结构具有强 度高、造价较低等优点，作为了高等级路面的优选结构。但从使用情况看，这种路面结 构却普遍存在着裂缝较多的缺点，造成了不同程度的路面病害，降低了道路的使用质量 和耐久性。路面施工过程中，半刚性基层会不可避免地产生裂缝，只是不够明显。然而， 在开放交通后，此裂缝在温度和荷载等因素的综合作用下，会进一步向面层扩展，使面 层相对应地自下而上形成裂缝，即反射裂缝。 广西大掌硕士掌位说譬起多雨地区高等级公路透水基层结构与材辛悃r 究 在基层长期使用性能的研究中，现有路基、路面的排水系统，往往只重视把地表水 排除到公路路界以外，而不重视排除由于降水通过路面裂缝、接缝和面层孔隙下渗到路 面结构中而形成的内部滞水。其实，这种内部滞水的危害性是相当大的。当降雨量较大， 且填筑路基和路肩的土渗透性较差时，渗入路面的水分会长时问积滞在路面结构内部。 这种现象在位于凹型竖曲线底部、低洼河谷地、曲线超高断面内侧和立体交叉下穿路段 的路面结构中显得尤为严重【2 1 。这些内部滞水会浸湿路基、路面的各结构层。积滞在路 面结构内的自由水对路面产生各种有害影响1 3 l ：使无粘结粒状材料和地基土的强度降 低；使混凝土路面产生唧浆，随之出现错台、开裂和路肩破坏；由于高速行驶车辆 所产生的高压水流，使路面基层的细颗粒产生唧泥，最后失去支撑；在冰冻深度大于 路面厚度的北方地区，高地下水位会造成冻胀，并在冻融期间降低承载能力。在季节性 冰冻地区，水使冻胀土产生不均匀冻胀；沥青路面面层层底与水经常接触将使沥青混 合料剥落，对于混凝土路面则将影响混凝土的耐久性。 按照公路排水设计规范( j t j0 18 9 7 ) 1 4 1 ，下述条件下，应考虑设置路面结构 内部排水系统：年降水量6 0 0 m m 以上的湿润多雨地区，路基由透水性差的细粒土( 渗 透系数1 0 - 5 ) 组成的高速公路、一级公路或重要的二级公路；路基两侧有滞水，可能 渗入路面结构内；严重冰冻地区，路基由粉性土组成的潮湿或过湿路段；现有路面 改建或改善工程，需排除积滞在路面结构内的水分。 结合广西的实际情况，了解到广西的气象情况如下：广西年降雨量1 0 0 0 m m - - - 一 2 8 0 0 r a m 之间，尤以防港市东兴区最多，达2 8 2 2 7 m m ，降雨量最少的是田阳县，也在 l l o o m m 左右，因此，广西的降雨量是全国最多的省区之一。所以在广西的高等级公路 建设过程中，改善路面结构的排水性能，保证路面结构保持干燥的工作状态，己成为多 雨地区高等级公路路面工程的关键技术之一。 1 2 与选题有关的国内外研究综述 1 2 1 路面内部排水系统方面 美国在2 0 世纪6 0 年代末和7 0 年代初通过调查和经验总结，认识到了路面内部排水的 重要性。于是在1 9 7 3 年便由联邦公路局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内部排水系统。到1 9 8 6 年，经过十余年的使用经验和研究成果 2 多雨地l g 高等级公路透水基层结构与材举陶f 究 的积累，美国又进一步在路面结构设计方法中( a a s h t o 路面结构设计指南) ，把路面 结构的排水质量( 以排除渗入路面结构内水分所需的时间和一年内路面结构处于水饱和 状态的时问比例为指标) 作为一项设计因素( 变量) 考虑入内。目前，路面内部排水系 统已纳入美国一些州的路面通用结构，并在西方国家得到较广泛的应用1 5 j 。 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。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。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。1 9 9 7 年交通部新颁的公路排水 设计规范j t j 0 18 - - - 9 7 ) ) ，路面结构排水系统越来越受到重视【5 j 。广西交通科研所于1 9 9 9 年修筑了广西宾阳南宁试验路1 6 j ，长安大学先后于2 0 0 1 年修筑了河南省豫3 1 线改线工 程试验路 7 1 ，2 0 0 4 年初修筑了广珠西线等一系列排水系统试验路。 虽然排水设计规范使我们对路面内部排水系统有了一个较为统一的认识。但是，规 范主要致力于路面排水( 包括路肩排水) 、中央分隔带排水和路基排水，而对于路面结 构排水系统仅做了一些定性的规定，对于基层材料和结构尚未进行系统研究，因此将此 规范应用于实际工程中，还需做大量的研究工作。 1 2 2 透水性材料组成设计 ( 1 ) 开级配粒料透水基层 开级配粒料基层由具有一定级配的颗料材料组成，且具有一定量的细颗料，其稳定 性通过压实后形成优良的颗料之间的力学嵌锁来实现。这种材料可提供要求的渗透性， 衡量其渗透性的指标渗透系数大致变动于6 0 - - 1 0 0 0 m d 。为了给摊铺机提供稳定的 工作面，开级配粒料基层需采用碎石集料。 这种排水基层在施工摊铺时易出现离析现象，碾压时不易压实稳定，施工机械行驶 易出现推移变形，必须有合理的施工工艺。 ( 2 ) 结合料稳定粒料透水基层 水泥稳定碎石和沥青稳定碎石的孔隙率可达1 5 - - 2 5 ，渗透系数变动于9 1 5 6 1 0 0 m d 。沥青稳定碎石的排水性略高于水泥稳定碎石。 沥青稳定碎石的沥青用量通常为2 5 4 5 ，由于其孔隙率较大，为达到一定的 多雨地区高等级公叠挺水基层结构与材牵p 开究 强度，碎石与沥青应具有良好的粘附性，故应选石灰石，且石灰石的颗料形状宜接近正 方体，有棱角，并有良好的级配。碎石集料用水泥稳定时，国内实践经验控制水泥含量 约为1 2 0 - - 1 8 0 k g m 3 ，国外推荐的水泥用量为1 3 0 - 一1 9 6 k g m 3 ，水灰比0 3 7 - 0 4 5 。 ( 3 ) 多孔贫混凝土透水基层 贫混凝土表现出良好性能，抗冲刷能力强，能有效防止唧浆现象。贫混凝土通过调 整材料配比，可修筑多孔贫混凝土透水基层，结合其他排水设施，能形成路面结构良好 的内部排水系统。多孔混凝土作为一种新型的透水基层材料，是介于水泥稳定碎石和普 通混凝土之间的一种贫混凝土。且多孔混凝土的排水性能和强度都比水泥稳定碎石有很 大提高i 踟。 法国曾经在1 9 7 4 年和1 9 7 6 年修建了多孔贫混凝土路面试验路 9 1 。1 9 7 9 - - 1 9 8 1 年在 戴高乐机场水泥混凝土路面结构中将1 0 c m 厚的多孔混凝土铺设于面板与水泥处治基层 之间，以增加基层的排水功能。国内广西交通科研所等单位曾修筑过多孔贫混凝土排水 基层试验路，对多孔混凝土进行过一些初步研究 6 1 。1 9 9 8 年和1 9 9 9 年，广西交通科学 研究所又在六良二级公路和钦北高速公路那丽支线工程中修建了贫混凝土透水基层沥 青碎石路面，观测这种路面结构的使用性能，从目前情况看，路面强度高，抗变形能力 强，无反射裂缝。 1 3 路面结构水损坏原因 在道路建设过程中，解决好路面的防水问题，需要深入了解路面结构中水的来源、 水破坏路面结构的机理，以便我们能提出相应的水损害的防治措施。 路面结构中的水的来源有地面降水和路基中渗透上来的水。 ( 1 ) 地面降水包括：路面渗透：降落在路面表面的水，如果不能及时通过路面 横坡或纵坡排走，会经由路面的纵、横向接缝、裂缝或面层孔隙渗透到路面结构的内部。 通过渗透进入路面结构内的水是引起路面结构水损坏的主要水量来源。路侧渗流：在 路面排水沟较浅的地方，路面纵断面的坡度较平缓或零坡部位，水从高水位处向路面结 构层中的渗流可能成为水的重要来源。 ( 2 ) 路基中渗透上来的水包括：地下水上升：地下水位的上升可能显著增加进 入路面结构层中的水。毛细管作用：毛细管作用可以将水位以上路基饱和区的水输送 到路面结构层中。此外，温度梯度能够引起水蒸发，存在于路面结构和路基孔隙中，并 4 广西大掌司旺b 掌位论文多雨地区高等级公路透水基层结构与材半p 开究 由此引起水位和密度变化。 对水泥混凝土路面的损坏原因【m 1 4 】：由于温度翘曲应力的影响并满足施工需要，水 泥混凝土路面需设置各种接缝，而路面在使用期间又会出现各种裂缝等病害。于是，降 落在路表面的水，会通过接缝、裂缝下渗到路面结构内部。进入路面结构内部的自由水， 可通过向路基下部渗流而逐渐排走，渗流的速度随土的渗透性和地下水位的高度而异。 被围封在路面结构内的水分，由于滞留时间长，各结构层材料和路基本身就会被浸湿， 使得强度下降，变形增加，路面结构的承载力下降，使用寿命缩短。路面结构是一个层 状结构，在层间结合处容易出现孔隙，而进入孔隙内的自由水在行车荷载的作用下，会 成为层间高孔隙水压力和高流速的水流的源泉，这种高压形成的高速水流会不断冲刷基 层材料并从缝隙喷射出带冲刷材料的泥浆，这种唧泥效应使板体在局部脱空的状态下工 作，促使水泥混凝土面板出现板底脱空，错台等病害，而且更大程度的扩展裂缝宽度和 长度，从而使路面结构的使用功能迅速恶化，加速了板体的破裂过程。 对沥青路面的损坏原斟1 5 ，1 6 】：沥青与集料间的联结力是影响沥青路面寿命的一个重 要因素，联结力的丧失会导致沥青路面的破坏。根据物理化学观点，沥青与矿料之间的 相互作用过程是个比较复杂的、多种多样的吸附作用。沥青在矿料表面上的吸附强度， 很大程度上取决于这些材料之间发生的粘结性质。当存在化学键时，沥青与矿料的粘结 最为牢固。当碳酸盐或碱性岩石与含有足够数量酸性表面活性物质的活化沥青粘结时， 会产生化学吸附过程。这种表面活性物质能在沥青与矿料的接触面上，形成新的化合物。 因为这些化合物不溶于水，所以矿料表面上形成的沥青层具有较高的抗水能力。而当沥 青与酸性岩石( s i 0 2 含量大于6 5 的岩石) 粘结时，不会形成化学吸附化合物，故其间的 粘结强度较低，遇水易剥离。 另外，沥青与矿料间的粘结力还与矿料的表面纹理、多孔性、表面吸附、比表面积、 颗粒尺寸等特性有关。一般说，表面粗糙的和多孔的矿料可以使沥青更好的吸附其表面， 并因此提供较强的联结力。沥青与多孔的材料相互作用的特点，一方面取决于表面性质 和吸附物的结构( 孔隙的大小及其位置) ，另一方面与沥青的特性有关( 主要是活性和 基因组成) 。矿料表面上如有微孔，就会大大改变其与沥青相互作用的条件。微孔具有 极大的吸附势能，因而孔中吸附大部分的沥青表面活性成分。当沥青与结构致密的矿料 ( 如石英岩) 相互作用时，上述过程就失去了必要的条件，因而其对沥青的选择性吸附 不显著，遇水容易剥离。如果在多雨地区使用酸性岩石作为矿料，或者选择结构致密、 表面光滑的矿料，就会更容易的导致沥青路面早期的损坏。 广西大学硕士掌位论文 多雨地区j 宵等级公路透水基层结构与材年悃f 究 沥青混凝土本身的孔隙率大或沥青路面施工过分强调平整度，牺牲密实度，致使路 面碾压不足，孔隙率过大，从而使路面渗水严重，水可通过沥青面层下渗到基层表面， 破坏沥青面层与结构层的粘结力，进而导致路面结构的强度降低、路面脱空、沥青与骨 料的剥离等病害。加之汽车车轮行驶时的揉搓作用，出现唧浆，沥青混凝土面层形成网 裂或坑洞。 1 4 透水基层结构设计 由于基层是路面发生水损坏的位置，若基层排水不畅，基层材料处于自由水饱和状 态是发生水损害的主要原因之一，所以设置透水基层可将路面结构内部的水分及时排除 到路面和路基结构以外，非常有利于预防和减轻水损害的发生，并大大提高道路使用寿 命和取得可观的经济效益【1 8 j 。 路面结构采用透水性材料做基层或垫层。渗入路面结构的水分，先通过竖向渗流进 入排水层，然后由横向渗流进入纵向排水沟和排水管，再由间隔一定距离布设的横向出 水管排引出路基。直接设置在面层下的透水基层，由于自由水进入透水层的渗流路径短， 在透水性材料中渗流的速率快，排水效果好。在高速和一级公路新建路面时可采用此方 案。排水基层也可修筑成全宽式，渗入排水层的自由水横向排流到路基边坡坡面外。 1 4 1 透水基层的功能 图卜1 典型透水基层路面结构 f ig 1 2t y p i c $ p e 姗e a b l el a y e rp a v e m e n ts t r u c t u r e 为满足基层的作用和透水要求，必须具有以下主要功能1 9 2 3 】： ( 1 ) 具有一定的强度和刚度 透水基层铺筑在面层的下面，且其粒料为水泥处治或沥青处治，因而具有较高的强 度。承担路面上传递下来的应力。 ( 2 ) 排水作用 6 多雨地区高等筇n 必嗣瞌乏水基层结构与材丰 研究 以各种方式进入路面结构的水分，应由其汇集、排除出路基以外，因此透水基层的 集料一般为开级配，混合料具有较大的孔隙率( 其孔隙率一般在1 5 一- 2 0 之间) ，使其具 有良好的透水性。进入路面内部的自由水直接由透水基层或内部排水系统排除。 ( 3 ) 隔水作用 在地下水位较高的地区，设置透水基层，可以很好地利用透水基层的大孔隙率，阻 止地下水的毛细作用，防止因地下水位过高而导致基层材料松软，强度下降，引起路面 破坏。 1 4 2 透水基层的基本要求 ( 1 ) 混合料要求【2 0 2 1 】 透水基层是由粗集料、少量的细集料和少量的水泥或沥青组成。作为透水基层，既 要求它具有足够的排水能力，又要求它具有一定的承载能力和耐久性。具体有以下三方 面的要求： 透水性：既然是透水基层就应对其透水性有一定的要求。根据国外的使用经验， 为了满足使用要求透水基层混合料的渗透系数一般采用0 1 8 0 3 6 c m s 。建议渗透系数 不小于0 3 6 c m s 。由于材料性质的不同、施工技术水平的差异等不确定因素以及排水性 能在使用期内可能因细集料的堵塞而影响使用效果。因此，在混合料组成设计时采用的 渗透系数应考虑一定的安全度，通常在0 4 ，- - 2 o c m s 范围内选用。 强度：透水基层在水泥混凝土路面下基本处于受压状态，其力学性质可以用抗压 强度表示。为了给水泥混凝土面板提供良好的支撑，保证面板与基层间紧密地接触，不 因基层变形过大导致面板脱空。因此，透水基层应具有一定的抗压强度，此值不应小于 3 - - 一4 m p a 。 耐久性：透水基层混合料较长时间处于水浸润状态，在车辆荷载的反复作用下极 易产生破坏。为了保证透水基层混合料的强度、使用寿命和结合料与碎石之间的结合力， 就应使结合料的用量达到一定的要求。若采用水泥稳定碎石基层，建议水泥处治混合料 中水泥剂量不得少于1 6 0 k g m 3 。若水泥稳定碎石透水基层混合料中细粒料含量少，增加 水泥剂量就会造成剩余水泥的出现，为此还需要采用一定的细料。 ( 2 ) 设计要求【2 4 ，2 5 】 路面内部排水系统中各项排水设施的泄水能力均应大于渗入路面结构内的水量，且 7 广西大芍幽页士学位论文多雨地区高等级公路透水基层结构与材辛；1 研究 下游排水设施的泄水能力应超过上游排水设施的泄水能力。也就是说各项设施应具有足 够的排水能力，排除深入路面结构内的自由水。并且由于渗入量的估计和透水材料渗透 系数的测定精度较低，所设计设施的泄水能力应留有较大的安全度，通常可对设计泄水 量采用两倍以上的安全系数。同时，系统中各项设施的泄水能力从上游到下游逐项增加。 如对于透水基层透水系统，透水基层的泄水能力要大于路表渗入量，集水管和集水沟的 泄水能力要，大于排水基层的泄水能力，出水管的泄水能力要大于集水管和集水沟的泄水 能力，出水口的泄水能力要大于出水管的泄水能力。 渗入水在路面结构内的最大渗流时间，冰冻地区不应超过l h ，其他地区不应超过2 h ( 重交通时) 4 h ( 轻交通时) 。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 。 即自由水在路面结构内的渗流时间不能太久，渗流路径不能太长。在冰冻地区，滞留时 间过长会使水分在基层内结冰，从而损害路面结构，并使系统排水受阻。而在非冰冻地 区，自由水滞留时间长，会使路面结构处于饱水状态的时间久，也即1 年内路面强度低 的比例大，从而影响路面的使用寿命。 排水设施应具有一定的耐久性。各项排水设施很容易被流水带来的细料逐渐堵塞， 从而使用不久便丧失排水效率。为此，各项设施的设计应考虑采取反滤措施以防止细粒 随流水渗入，同时，所设计的设施要便于进行经常性的检查和清扫或疏通。 1 5 主要研究内容 1 5 1 研究内容 1 水泥稳定碎石透水基层透水材料试验研究 表征水泥稳定碎石透水材料透水性能的主要指标是孔隙率和渗透系数，强度指标是 抗压强度。在不同集灰比、含水量下测定材料的孔隙率、渗透系数和抗压强度。研究其 影响规律，确定水泥稳定碎石透水材料的评价指标。 2 沥青稳定碎石透水基层透水材料试验研究 表征沥青稳定碎石透水材料水稳性的指标是残留马歇尔稳定度，在不同级配、沥青 用量下测定材料的孔隙率、渗透系数、马歇尔稳定度、流值、3 d & l o d 残留稳定度和流值。 研究其变化规律，确定沥青稳定碎石透水材料的评价指标。 3 透水基层材料组成设计评价体系研究 8 广西大学硕士学位论文多雨地区高等级公叠分透水基层结构与材牵p 开究 在试验研究的基础上，利用t o p s i s 评价方法对试验结果进行评价，并推荐最佳材 料组成。 4 沥青稳定碎石透水基层水泥混凝土路面结构力学分析 利用a n s y s 软件对沥青稳定碎石透水材料水泥混凝土路面结构进行荷载应力分析， 得出在不同面层厚度、透水基层模量、透水基层厚度下的荷载应力变化规律。 5 透水基层对沥青路面反射裂缝的影响分析 沥青路面反射裂缝对沥青路面结构路用性能有重要影响，研究两种透水基层对沥青 路面反射裂缝的影响。 1 5 2 技术路线 图1 - 2 技术路线 f i g 1 - 2t e c h n o l o g yp a t h w a y 9 广。西r 大掌硕士掌位论文多雨地区高等级公路透水基层结构与材车悃f 究 第二章水泥稳定碎石透水材料试验 利用水泥稳定碎石透水材料铺筑道路透水基层，可使得透水路面结构内的水分能够 通过竖向渗流进入透水层，然后经横向渗流通过各种透水设施引出至路面结构外，这种 路面内部排水系统有利于改善路面的使用性能并提高道路的使用寿命【2 1 1 。由于水泥材料 较为丰富，价格相对便宜等原因，水泥稳定碎石透水材料有广泛的应用前景。 2 1 碎石级配组成 用作透水材料的组成结构多数为骨架孔隙结构，这与传统的密实骨架材料结构的设 计方法是不同的。透水混合料要求具有一定的孔隙率以便能充分的排水或透水，当然也 必须具有一定的力学强度。而密实骨架系统无须考虑排水要求，偏重于力学强度的要求 1 2 6 1 o 理想的水泥稳定碎石混合料结构是粗骨料受压后在排列中互相嵌挤又不互相干涉， 相互之间能够形成较大的摩擦力，而少量的细集料又不足以完全填充满孔隙，形成排列 紧密的多级空间骨架结构2 7 1 。 东南大学采用重正化群方法对透水结构层材料孔隙进行了深入研究，得出透水结构 层材料所形成连通孔隙的临界孔隙率为1 7 3 3 ，并提出了计算透水表层集料分型级配 计算方式和孔隙率计算公式【3 0 l 。 透水基层的最大粒径应基于结构分析和水力计算确定的透水厚度而定，通常认为大 粒径集料通常更能提供强度，并且成本更低。 公路排水设计规范规定，集料公称最大粒径可采用2 5 m m 或3 7 5 m m 。用作透 水基层时，其最大粒径不宜超过2 5 r a m 。依据使用经验，开级配集料级配通常采用下述 控制范围：通过o 0 7 5 m m 筛孔的集料质量百分率不大于2 ，通过2 3 6 m m 筛孔质量百 分比不大于5 ，通过4 7 5 m m 筛孔的质量百分率不大于1 0 f 2 4 1 。 由于集料的级配非常多，在研究中不可能一一试配，因此有必要选用具有代表性的 级配，选出的级配应确保透水混合料形成排列紧密的多级空间骨架结构。 根据透水基层的渗透系数要求设计其级配组成见下表： 1 0 广西大学硕士掌位论文多雨地区高等级公路透水基层结构与材年；p 开究 表2 - i 水泥稳定碎石透水基层矿料级配 t a b 2 1a g g r e g a t eg r a d i n g b f c e m e n ts t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n ep e r m e a b l eb a s el a y e r 通过方孔筛( r a m ) 的百分率( ) 目标透水 材料类 系数 型 3 7 52 51 91 2 59 54 7 52 3 61 1 80 30 0 7 5 ( m d ) 水泥i 1 0 08 8 l o o5 2 8 51 5 3 8o 1 60 61 2 0 0 处治i l1 0 0 9 5 1 0 02 5 6 00 1 0o 5o 2 6 0 0 0 表2 - 2i i 型级配 t a b 2 - 2t y p ei ia g g r e g a t eg r a d i n g 筛孔八寸通过百分率( ) ( m m )3 1 52 51 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 8o 3o 1 50 0 7 5 范围 1 0 0 9 5 l o o2 5 6 00 l o o 2 取用 1 0 0 9 55 05 l 毋 v 嚣 羞 姬 妪 0 0 7 50 1 50 31 1 84 7 59 51 3 2 颗粒尺寸( 姗) 图2 - 1 级配曲线 f i g ，2 - 1c u r v eo fa g g r e g a t eg r a d i n g 2 53 1 5 踮2加弱的蛎；8筋埒m 0 0 多雨地l g 高等级公魔瞌乏水基层结构与材年；d 开究 2 2 集灰比 水泥稳定碎石透水材料不同于常用的水泥稳定土材料，因其孔隙率较大，要满足一 定的强度和刚度要求，则水泥剂量相对较高【2 8 】。但是，过高的水泥剂量将使材料产生较 大的干缩性和温缩性。因此，水泥处治碎石水泥剂量要从技术和经济两个方面考虑，在 保证水泥处治碎石的强度、渗透性、耐久性和施工要求的情况下，根据试验结果确定， 尽可能的采用最低的水泥用量。水泥处治碎石的强度随水泥剂量的增加而增加，对于大 多数级配良好的材料，经水泥稳定后，其抗压强度与水泥含量之间大致呈直线关系，并 且直线有过原点的趋势，这种直线关系并不受龄期的影响。 参照公路路面基层旌工技术规范( j t j 0 3 4 - 9 3 ) 和公路工程质量检查评定标准 ( j t j 0 1 8 9 7 ) 的要求，公路排水设计手册指出对于一级公路和高速公路水泥处治 基层规定的强度标准，选用7 天浸泡抗压强度不低于3 - - 一5 m p a ，若7 天抗压强度要求为 4 m p a 以上，其集灰比可在8 ：l 1 ：1 内选用。公路排水设计规范中提到了水泥用 量对混合料的孔隙率和强度的影响，但并得出水灰比孔隙率和水灰比强度之间 的关系。为此，本次试验采用上述级配按照不同集灰比成型了一组试件，测试了一组试 件，测试其渗透性能和强度指标。 幽2 2 水泥稳定碎石透水基层材料试件 f i g 2 2t e s tc u b eo fc e m e n t s t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n ep e r m e a b l eb a s el a y e r 多雨地区高等级公路透水基层结构与材牵p 开究 2 3 试件制备 2 3 1 原材料性能指标 依据公路工程集料试验规程j t j 0 5 8 - 2 0 0 0 ) ) ，测得原材料指标如表2 3 ： 表2 - 3 原材料指标 亿l b 2 3m a t e d a li n d i c a t o r s 试验项目 规定值石料性能 表观密度 2 8 9 c m 3 压碎值( )3 02 0 针片状含量 5 1 5 m m l o 6 7 ( )1 5 2 5 m m l o 7 含泥量( )31 2 3 2 5 m p a 水泥有效密度( g 伽3 ) 3 1 2 3 2 最佳含水量和最大干密度的确定 传统的最佳含水量和最大干密度的求解方法是采用图解法进行【3 羽，既通过室内标准 击试验，测定对应于不同水灰比时的干密度( p d ) ，将试验结果人工点绘在米格线上得 到击实曲线，再找出击实曲线的峰值( 即为最佳集灰比时对应的最大干密度) 。 本文采用的是广西大学路桥实验室的d z y 一i i 型数控标准电动击实仪进行击实试 验。试件规格为中1 2 5 m m 1 7 0 m m 。 在每一种集灰比下制备5 个试样，通过查阅资料预定5 个不同含水量，水泥稳定碎 石的最佳含水量接近5 ，因此预定含水量为：4 、4 5 、5 、5 5 、6 。按一定的 含水量制备试件，利用混凝土搅拌机进行拌和。将击实筒放在击实机上，按5 层分层击 实，每层击实5 9 次。第一层击实完后，检查该层高度是否合适，以便调整以后几层的 试样用量。用刮土刀或改锥将已击实的表面“拉毛 ，然后重复上述做法，进行其余四 层试样的击实。用推模器推出筒内试样。烘箱温度应事先调整到1 i o 。c ，以便放入的试 样能立即在1 0 5 - - 一1 1 0 的温度下烘干。 广西大学硕士掌位论文多雨地区高等级公群时乏水基层结构与材拳陶f 究 ( 1 ) 每次击实后稳定土的密度 胪学 ( 2 1 ) 式中：p 。稳定土的湿密度( g c m 3 ) ； q l 试筒与湿试样的合质量( g ) ； q 2 试筒的质量( g ) ； y 试筒的容积( c m 3 ) 。 ( 2 ) 稳定土的干密度 岛2 高 。2 - - 2 ， ( 3 ) 以干密度为纵坐标，以含水量为横坐标，绘制干密度与含水量的关系曲线， 驼峰形曲线顶点的纵横坐标分别为材料的最大干密度和最佳含水量。最大干密度用两位 小数表示。最佳含水量取一位小数，并用偶数表示( 即精确到o 2 ) 。 2 4 水泥稳定碎石透水材料性能指标 水泥稳定碎石透水材料既要保证混合料的多孔隙性，迅速排除渗入路面结构的自由 水，又要保证混合料作为结构的一部分，具有一定的力学强度。渗透性和强度二者之间 是矛盾的关系。只有综合考虑各个方面的因素，才能设计出满足要求的水泥稳定碎石透 水材料【3 1 1 。 表2 - 4 水泥稳定碎石透水材料评价指标 t a b 2 - 4c e m e n ts t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n ep e r m e a b l em a t e r i a la p p r a i s a li n d i c a t o r s 评价指标要求范围 孔隙率( ) 2 0 渗透系数( c r r d s ) 1 0 7 d 抗压强度( m p a ) 3 - 4 1 4 多雨地区高等级公路透水基层结构与材牵陶f 究 2 5 水泥稳定碎石透水材料试验方法 2 5 1 孔隙率和有效孔隙率 屹：o - 鱼) 1 0 0 ( 2 - - 3 ) p 。：丝( 2 _ 4 ) 肛2 寸 o h 辟：慕风 。h ， 胪瓣4 碱 一 p p c q 岛水泥稳定碎石干燥试件的理论密度( 咖朋3 ) ； 广西大掣臼页士掌位戳咒多雨地区高等级公磷”歪水基层结构与材辛；陶f 究 只水泥剂量( 水泥与矿料的质量比) ( ) ； 成 水泥的相对密度，此处取为3 1 ； p 集料的表观密度( c m 3 ) ； 成水的密度，取为1 咖小3 。 有效孔隙率是验算渗透系数或计算渗透系数的控制指标之一。测量有效孔隙率常采 用水中重法，测试有效孔隙率时应将试件风干3 6 小时以上，或者放入烤箱在4 0 的温 度下烘干1 2 小时以上至恒重后及时称取干重；然后将试件浸入水中，为使试件中的 气泡全部排除，采用将试件分三层浸入水中，也即是每隔两个小时加水使水面上升试件 高度的1 3 ，全部浸泡后，未发现有气泡冒出时，称取试件的水中重聊，按照下式计算 有效孔隙率屹： 匕= ( 1 一堡丑) 1 0 0 ( 2 _ 6 ) v o w 式中：屹试件的有效孔隙率( ) ； m o 试件在空气中的干重( g ) ； m l 试件在水中的质量( g ) ； 成水的密度，取为1 咖聊3 ； v 用量体积法测得的试件的体积( c m 3 ) 。 2 5 2 渗透系数 渗流是充满整个透水混合料的假想水流。如果我们垂直于渗流方向取一个截面，称 之为过水断面，透水混合料中的过水断面的概念与水力学中的过水断面是有差别的。透 水混合料中的过水断面是整个混合料的截面，即包括孔隙面积也包括固体颗粒所占据的 面积。当雨水垂直往下渗流时，过水断面为平面，当雨水沿透水基层横坡有一定水头压 力横向渗流时，过水断面为曲面。 渗流速度v 代表渗流在过水断面上的平均速度，它不代表任何真实水流速度，只是 一种假想的速度。假设整个过水断面都被水充满时，水流就以这种速度流动。 1 6 多雨地i g 高等级公路透水基层结构与材牵阔f 究 渗透系数k ，也称水力传导系数，是表征多孔介质输运流体能力的标量。它在数值 上等于当水力坡度j = l 时的渗流速度。因为水力坡度没有量纲，所以它具有速度的量纲， 常用的单位c m s 或m d 。 渗流系数不仅取决于大孔隙混合料的性质( 如粒料成分、颗粒排列、充填情况、孔 隙的分布等) ，而且和渗流液体的物理性质( 重度、粘滞性) 有关。如果在同一套装置 中对于同一块试样分别用水和油来进行渗透试验，在同样的水头差作用下，得到的水的 流量要多于油的流量，即水的渗透系数要多于油的流量，即水的渗透系数要大于油的渗 透系数。在只考虑路面下渗水的情况下，当水的物理性质一定时，渗透系数主要取决于 透水层混合料的性质【3 3 , 3 4 1 。 一般来讲，对于大孔隙水泥处治碎石