多雨地区排水沥青路面设计研究

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摘要：水损害是造成我国沥青路面损害的主要原因之一，大量的国内外水损害实验资料表明，渗入路面结构内的自由水是造成路面损坏的主要因素。本文在分析沥青路面早期水损害机理的基础上，从面层排水路面、半透式排水路面和全透式排水路面三种路面排水结构设计出发，提出一套适合多雨地区沥青路面排水的设计方案，可为多雨地区沥青路面排水设计提供参考。

关键词：沥青路面；水损害；机理；排水设计

沥青路面水损害是指沥青路面在经过长期的水浸泡或者在温度变化条件下经过多次冻融循环作用后，在路面上的汽车荷载压力反复作用下，雨水或者融化的冰水渗入沥青混合料的空隙中，最终形成水压力或者真空负压抽吸的循环作用，导致沥青与集料之间的粘结能力降低，沥青与集料分散开，最终导致沥青从集料表面剥离开，使得沥青路面出现集料松散、脱落，甚至出现大的坑槽现象[1]。现有研究表明[2-3]，在所有的沥青路面损坏种类中，水损害目前已经成为最大的损坏类型之一。2009年，长安大学汪海年等用X-rayCT扫描了排水沥青混合料的内部结构，根据扫描图像分析了混合料内部空隙的分布特征以及孔隙沿试件的碾压方向的分布情况，研究发现排水沥青混合料试件的空隙在空间上的分布并没有规律，中部的空隙比两端的空隙要小。2009年，高富强研究了雨水在排水沥青路面的入渗规律，进一步讨论排水基层的排水特性。中南大学何要超研究了高速公路沥青混凝土路面结构在降雨工况下的非饱和入渗问题。上世纪70年代，美国积极推广排水沥青路面的使用并制定相关设计方法，80年代排水沥青路面在美国的铺筑量已经达到15000千米，且多用于州际公路，而且他们也认为排水路面在抗车辙方面相比于其他路面具有优越性，但当时美国所用的粘结料是直溜沥青，这种单一胶结料的使用并不适用于美国差异较大的气候环境。因此上世纪80年代美国使用排水沥青路面存在的主要问题有：面层材料容易松散剥落，抗水损害能力不足，空隙容易堵塞而丧失排水功能。近年来，美国使用排水路面的级配的最大公称粒径逐渐变大，孔隙率增大，排水性能得到提高，另外，对混合料材料的改良也使得排水路面的路用性能得到改善。美国还制定新的设计方法和标准，空隙率控制在20%左右，并使用肯塔堡飞散试验和谢伦堡析漏试验来确定沥青的用量范围。日本对排水路面的研究虽然起步较晚，但目前却是研究较为透彻的国家之一。日本在90年代初期成立了排水沥青路面研究会并编写了排水路面设计指南，将排水沥青路面从前期调查到建成投入使用都做了详细说明与规定，提出了自己的设计方法和标准。日本排水沥青路面的累积铺筑面积已经达到3000万m2，其技术的成熟源于沥青结合料，日本自主研究出一种名为TPS的高黏改性剂，用这种高黏改性剂制作的高黏沥青黏度很大，粘聚力也很强，而且有很强的耐久性，能够在集料与集料的接触面上形成较厚的沥青膜，使得排水路面的性能得到很大改善。

1排水沥青路面排水机理分析

排水沥青路面的排水功能层一般指沥青面层的上面层，排水功能层呈骨架-空隙结构，与中面层之间有一层不透水的防水粘结层。防水粘结层有三个作用：第一，阻止排水功能层的雨水渗透到中、下面层及基层和垫层等，防止路面结构发生早期水损坏，增加排水沥青路面使用寿命；第二，排水沥青混合料空隙率大，排水上面层与中面层的接触面积较小，防水粘结层起到增强上面层与中面层的粘结强度作用；第三，防水粘结层具有良好的延伸性，能够进一步防止以及控制基层横向开裂引起的裂缝处渗水问题。雨水降落到路表面，沿着路面综合坡度的方向，通过排水表层空隙渗透至路面结构外部附属排水设施。雨水从路表面渗透至道路外部结构，按时间顺序经历三个阶段。第一个阶段为排水沥青路面表层初步浸润阶段，降雨初期，面层处于干燥状态，降落到面层上的雨水对路面进行初步浸润，此时排水表层的水力传导度处于最大状态；第二个阶段为排水沥青路面排水表层空隙填充阶段，当面层表面完全浸润后，雨水由于表面张力、毛细作用、自身重力的作用，逐步渗透并填充表面的各部分空隙，直到填充饱和，当降雨强度逐渐增大时，降雨速率大于空隙填充速率，此时会出现超渗产流；第三个阶段为雨水在面层空隙间蓄积与渗流阶段，当降雨强度增大，排水表层达到最大持水能力后，雨水会在排水层间蓄积，并在排水层中沿路面综合坡度方向形成横向渗流，最后汇聚在道路外部结构，若此时降雨强度大于排水表层的渗流强度，排水层达到极限水力传导度，渗流会达到饱和状态，来不及渗流的雨水会经过路表面以表面径流的方式排出，此时同时存在表层渗流和表面径流，称为饱和产流状态。雨水从沥青路面路表渗入排水表层分为两个阶段。第一阶段为外界控制阶段，当降雨强度小于雨水在重力和毛细力作用下在排水表层之间的渗流能力，雨水在排水层之间的渗流速率等于外界来水速率，此时由外界降雨强度控制；第二阶段为排水沥青路面排水表层控制阶段，降雨强度逐渐增大，排水表层空隙中雨水饱和程度逐渐更大，表层传导水的能力同步减弱，当外界来水速率刚好等于渗流速率的极限值时，路表面未出现径流，排水层基本趋于饱和状态，此时水力传导度也基本趋于一个相对稳定的值𝐾𝑠,称为饱和水力传导度，当降雨强度继续增大，排水层的渗流速率小于外界来水速率，开始出现一部分雨水从路表面沿着路面综合坡度排出，形成路表径流，此时排水表层的下渗能力等于雨水的入渗速率，水力传导度保持在𝐾𝑠不发生变化。水力传导度与时间关系如图1所示，图中𝐾𝑡表示排水表层的瞬时水力传导度，是一个变化值。当降雨强度处于①区时，此时的给水速率大于排水沥青混合料排水表层的瞬时水力传导度，因此雨水将分成两部分排出路面结构，一部分通过排水表层的空隙下渗到防水粘结层之上，然后顺着路面的综合坡度方向，以渗流的方式排出路面结构；另一部分由于不能及时下渗到路面结构体内部，而从路表面沿着路面综合坡度以表面径流的方式排出，此时入渗速率等于排水表层的瞬时水力传导度，属超渗产流状态。当降雨强度处于②区时，此时的给水速率处于排水沥青混合料排水表层瞬时水力传导度与饱和水力传导度之间，外界降雨首先是全部由排水表层空隙渗透至路面结构外部，但随着降雨历时的增长，排水表层内饱和程度逐渐增加，表层内传导水的能力逐渐减弱，当排水表层瞬时水力传导度小于给水速率时，开始有一部分雨水通过路面沿着路面综合坡度方向排出路面结构。当降雨强度处于③区时，此时的给水速率小于排水沥青混合料排水表层的饱和水力传导度，不论降雨历时如何增长，雨水能够全部下渗至排水表层排出路面，入渗速率恒定等于外界给水速率，路表面不可能产生漫流。

2排水沥青路面排水设计

排水沥青路面的主要功能是在满足承载力要求的同时快速排出路表积水，但路面结构的承载力与排水能力往往此消彼长，相互矛盾，孔隙率越大，排水性能越好，但路面空隙过大往往是导致承载力不足的主要原因，所以在选定排水路面的孔隙率时必须保证结构承载力满足要求，而关于排水路面孔隙率与承载力之间的关系研究较少。《透水沥青路面技术规程》（CJJ/T190-2012）根据不透水层设置的位置不同，定义了三种结构类型的排水路面：面层排水路面、半透式排水路面和全透式排水路面。2.1面层排水路面。面层排水路面（Ⅰ型）是将面层作为排水的主要功能层，在面层与基层之间设置封层，雨水随着路面空隙浸入路面面层结构内部，再在封层与道路横坡的作用下流向道路两旁的排水设施，防止水进一步渗流到下面的结构层，其结构示意图如图1。这种类型的排水路面能快速排出路面积水，主要适用于需要减少降雨时的路面径流量和降低行车噪声的新建、改建路面。2.2半透式排水路面。半透式排水路面（Ⅱ型）指道路的面层和基层都具有排水功能，即封层设置在基层与垫层之间，雨水降落到路面渗入基层后横向排出，其结构示意图如图2。这种路面不仅能排水还具有储水功能，可以在下大暴雨时减缓道路排水系统的负担等功能，提高基层与面层的整体性，可以减少基层反射裂缝的产生，主要适用于暴雨时需要缓解城市排水系统排水压力的城市新建、改建路面。2.3全透式排水路面。全透式排水路面（Ⅲ型）指整个路面结构都具有透水功能，在降雨结束后的一段时间内，雨水通过路面结构渗入土基，其结构示意图如图3。这种排水路面可以补充地下水资源，改善道路周边的水平衡和生态条件，对保护环境起到积极作用，主要适用于交通荷载不大的公园、小区、停车场、广场等道路。

3结语

1）多雨地区沥青路面进行防水损害排水设计时，应结合材料的性质进行综合设计。2）多雨地区应做防排水综合设计，尽可能避免沥青路面因雨水侵蚀而发生早期破坏。3）沥青路面排水设计应考虑排水结构的功能、排水能力及环境，做到实际与设计相结合，有效避免雨水侵害。

作者:韩昊 单位:中交二航局第二工程有限公司