透水路面滲水系數(shù)測試方法比較研究

張　逆

(貴州省交通科學研究院股份有限公司， 貴陽　550008)

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透水路面滲水系數(shù)測試方法比較研究

張逆

(貴州省交通科學研究院股份有限公司， 貴陽550008)

摘要：采用現(xiàn)場滲透儀、單環(huán)滲透儀與雙環(huán)滲透儀3種設備對透水再生混凝土、天然級配碎石、鋼渣再生粒料3組試件進行定水頭與變水頭的透水試驗，以分析比較3種滲水系數(shù)試驗方法的適用性與差異性。試驗結果表明：透水再生混凝土的滲透性優(yōu)于天然級配碎石及鋼渣再生粒料；現(xiàn)場滲透儀法(對照組)與單環(huán)滲透儀試驗法(控制組)所測滲水系數(shù)較為接近，可用于測定透水路面的滲水系數(shù)，但單環(huán)滲透儀試驗法具有“尺寸效應”，測定滲水系數(shù)時應給予足夠重視。

關鍵詞：道路工程；透水性路面；透水試驗；滲水系數(shù)

透水路面是將透水性良好、孔隙率高的材料運用于面層與基層，使雨水通過人工鋪筑的多孔隙路面直接滲入路基土壤，具有讓水還原于地下的功能[1-3]。其應用于公路上，除具有減少表面徑流及保水功能外，還可減小城市熱島效應的影響。透水路面的材料主要有透水磚、植草磚、透水水泥混凝土及透水瀝青混凝土等，其結構較傳統(tǒng)路面的承載強度低且孔隙大，在配合比設計時不僅要考慮力學性能，還需重點驗證其透水性能，而滲水系數(shù)是判定透水性能最直接有效的指標。對于透水路面現(xiàn)場透水系數(shù)的測定，國內(nèi)目前尚無試驗規(guī)范可依據(jù)，通常參考日本道路協(xié)會《鋪裝試驗法便覽》中的現(xiàn)場透水量試驗方法，但有時也采用單環(huán)或雙環(huán)變水頭試驗法。

本文采用定水頭和變水頭2種給水方式，用現(xiàn)場滲透儀、單環(huán)滲透儀和雙環(huán)滲透儀分別進行了透水再生混凝土、天然級配碎石和鋼渣再生粒料3種材料的滲透試驗，并依達西定律及質量守恒定律求得了3種材料的滲水系數(shù)。

1試驗原理

滲水系數(shù)是衡量材料透水性能的重要指標。在土力學中，通常采用定水頭和變水頭2種方法測定土壤的滲水系數(shù)，前者適用于高透水性的土壤(滲水系數(shù)大于10-4cm/s)，后者則適用于低透水性土壤(滲水系數(shù)小于10-4cm/s)[4]。

1.1定水頭與變水頭試驗

根據(jù)試驗時的供水水頭變化，可將滲透試驗分為定水頭與變水頭2類，并分別以達西定律與質量守恒定律為滲水系數(shù)的計算基準。定水頭透水試驗基于以下原理：當流體流經(jīng)多孔隙物質時，水體流速與水頭損失成正比且與流經(jīng)距離成反比，即

(1)

移項處理得

(2)

式中：K為滲水系數(shù)，cm·s-1；Q為滲流量，cm3；A為試件斷面面積，cm2；i為水力坡降；L為水流流經(jīng)試件的長度，cm；h為水頭差，cm；t為試驗持續(xù)時間，s。

變水頭透水試驗基于質量守恒定律，即

(3)

式中：V為供水體積，cm3。

1.2現(xiàn)場滲透儀試驗法

現(xiàn)場滲透儀試驗方法源自日本。日本道路協(xié)會《排水性鋪裝技術指針》規(guī)定[5]，路面透水試驗須采用現(xiàn)場滲透儀進行。該方法通過質量守恒定律計算滲水系數(shù)，據(jù)此評估路面的透水性能?，F(xiàn)場滲透儀如圖1所示。

圖1　現(xiàn)場滲透儀

試驗步驟如下。

1) 滲透儀外部用油性粘土包裹，并在底板上放置圓型金屬環(huán)以增加重量，避免水從縫隙中滲出。

2) 在圓筒100 mL處標記X1，由X1至500 mL處標記X2，并將水注入圓筒。開始試驗時，迅速將閥門全部開啟，使用碼表量測X1至X2的時間并將其記錄為T1、T2。重復步驟2)共計3次，每次間隔約1 min，完成后取3次平均時間并紀錄為T。

綜上所述，可以得出透水量的計算公式：透水量(mL/15 s)=400 mL/T×15。

1.3單環(huán)滲透試驗法[6]

單環(huán)滲透試驗法ASTM-C1701方法是源自美國材料試驗協(xié)會(ASTM)的一種方法。單環(huán)滲透試驗使用管徑30 cm的鋼、鋁或PVC等圓筒材料，設備規(guī)格如圖2所示，試驗步驟如下。

圖2　單環(huán)滲透儀

1) 在單環(huán)滲透儀外部與路面接觸處用油性粘土密封，以防止漏水。在由桶底起算1 cm及1.5 cm處分別標記。

2) 將3.6 kg水以一定速率倒入環(huán)內(nèi)，并維持水頭高在1～1.5 cm之間。從水倒入試件起開始計時，測試30 s內(nèi)水可否完全滲入試件內(nèi)。如果30 s內(nèi)水滲入試件內(nèi)，則采用18 kg的水量進行試驗；否則采用3.6 kg的水量進行試驗。

3) 記錄使用水的質量M和所經(jīng)過的時間t，并利用以下公式計算滲水系數(shù)：

(4)

式中：I為常數(shù)4 586 666 000；D為環(huán)內(nèi)徑，mm。

1.4雙環(huán)滲透儀試驗法[7]

雙環(huán)滲透試驗ASTM-D3385方法是源自美國材料試驗協(xié)會(ASTM)的一種方法[7]。試驗設備如圖3所示，試驗步驟如下。

圖3　雙環(huán)滲透儀

1) 內(nèi)環(huán)底部與路面接觸部位用粘土密封，以確保試驗過程中可以保持一定水頭高而不外漏，內(nèi)圈裝滿5 cm高的水進行測試；外環(huán)底部密封方式與內(nèi)圈相同，環(huán)底用粘土密封，并確保不漏水。

2) 試驗時，內(nèi)圈和外圈水位保持在12.5～17.5 cm之間，并使用固定水壓。試驗過程中如果水位上漲，則控制進水最大流量不超過25 gal/h。

3) 每隔5 min紀錄1次內(nèi)、外圈水位及時間，每次測試約需30～45 min，以確定路表滲水系數(shù)。

2試驗方法

成型3種不同材料的透水路面試件，表面層均采用5 cm厚的透水水泥混凝土，基層分別采用40 cm厚透水再生混凝土、天然級配碎石、鋼(底)渣再生粒料。分別采用日本道路協(xié)會現(xiàn)場滲透儀(定水頭與變水頭透水)試驗、ASTM-C1701的單環(huán)滲透儀透水試驗與ASTM-D3385的雙環(huán)滲透儀進行透水試驗，對3種不同透水材料試件的滲水系數(shù)進行測定。

2.1現(xiàn)場滲透儀透水試驗

2.1.1定水頭透水試驗

將現(xiàn)場滲透儀改裝成定水頭型式，試驗過程中，滲透儀圓桶上、下游水頭差保持固定不變，量測水流流經(jīng)試件10 min的滲流量Q，并根據(jù)達西定律計算各試件的滲水系數(shù)。

2.1.2變水頭透水試驗

利用現(xiàn)場滲透儀以變水頭方式進行試驗。滲透儀圓桶內(nèi)放入定量的水，試驗過程中，上、下游水頭差隨著水流出試樣而遞減，量測滲流所需時間t，并依據(jù)質量守恒原理計算各試件的滲水系數(shù)。

2.2單環(huán)滲透儀透水試驗

為了解單環(huán)滲透儀內(nèi)徑尺寸對滲水系數(shù)的影響，采用高10 cm、管壁厚0.5～1 cm，內(nèi)部直徑D分別為11、15及30 cm的PVC管，并依據(jù)單環(huán)滲透儀透水試驗方法進行透水試驗，步驟如下。

1) 將18 kg水以一定速度倒入環(huán)內(nèi)，并保持水頭在1～1.5 cm之間，至水完全滲入試件為止。

2) 記錄量測期間所需時間t，并按公式(4)計算各試件的滲水系數(shù)。

2.3雙環(huán)滲透儀透水試驗

雙環(huán)滲透儀透水試驗可分析單環(huán)滲透儀側向滲流對滲水系數(shù)的影響。采用高30 cm，內(nèi)徑11及15 cm，外徑30 cm的PVC管組成的雙環(huán)滲透儀，并依據(jù)ASTM-D3385試驗方法進行透水試驗，步驟如下。

1) 控制外環(huán)持續(xù)進水，內(nèi)、外環(huán)水頭高分別維持在1～1.5、1.5～5 cm，以抑制內(nèi)環(huán)下方水的橫向擴散，至內(nèi)環(huán)水完全滲入試件為止。

2) 記錄量測期間所需時間t，并按公式(3)計算各試件的滲水系數(shù)。

3試驗結果與分析

對透水再生混凝土(試件A)、天然級配碎石(試件B)、鋼渣再生粒料(試件C)的透水性能進行測定，水頭高介于1～1.5 cm。采用現(xiàn)場滲透儀(定水頭及變水頭)，直徑D11、D15及D30的單環(huán)滲透儀，直徑D11及D15的單環(huán)和雙環(huán)滲透儀等共計9種不同檢測法所得滲水系數(shù)為對照組，以水頭高度5 cm的D30單環(huán)滲透試驗結果為控制組，每組試驗所測得的時間分別記為T11、T15、T30，滲水系數(shù)分別記為K11、K15、K30，試驗結果見表1～5和圖4～9。

表1　現(xiàn)場滲透儀定水頭試驗結果(定水頭Kh=QL/hAt)

表2　現(xiàn)場滲透儀變水頭試驗結果(變水頭Kf=V/At1)

表3　單環(huán)滲透儀水頭高1～1.5 cm的試驗結果

圖4　現(xiàn)場滲透儀與單環(huán)滲透儀試驗結果比較

圖5　不同內(nèi)徑單環(huán)滲水儀試驗結果比較

圖6　對照組與控制組K30試驗結果比較

試件I/109M/kgT/s單環(huán)滲透儀T11T15雙環(huán)滲透儀T11'T15'K/(cm·s-1)單環(huán)滲透儀K11K15雙環(huán)滲透儀K11'K15'A4.581882.8060.8484.9660.972.301.672.231.67B4.581885.0752.8484.3555.952.231.932.251.82C4.581881.9064.085.2256.972.311.592.221.79

表5　單環(huán)滲透儀水頭高5 cm的試驗結果

圖7　單(雙)環(huán)對照組與控制組K30試驗結果比較

圖8　單環(huán)不同水頭高對照組試驗結果比較

圖9　所有對照組與控制組試驗結果比較

3.1不同檢測方法滲水系數(shù)差異性分析

從表1和表2可以看出，現(xiàn)場滲透儀定水頭檢測法所得滲水系數(shù)Kh為控制組K30的61%～65%，變水頭檢測法所得的滲水系數(shù)Kf為控制組K30的52%～60%，現(xiàn)場滲透儀試驗法對照組Kh及Kf差值在5%～14%之間。從圖7可以看出，單環(huán)及雙環(huán)透水試驗法測得的K11約為K30的2倍；K15約為K30的1.5倍，且管徑越小滲水系數(shù)越高。從圖8可以看出，當水頭高由1～1.5 cm提高到5 cm時(水壓增加)，K11、K15及K30均有大幅提升，且管徑越小滲水系數(shù)越高。

試驗結果表明，不論采用何種滲水試驗法，水壓越高或試驗儀器管徑越小，所測得的滲透系數(shù)就越大，表明滲透試驗存在明顯的尺寸效應。綜合全部試驗結果發(fā)現(xiàn)，采用現(xiàn)場滲透儀試驗法測得的Kh及Kf較接近K30，且試驗操作過程最易控制，故利用現(xiàn)場滲透儀法測定透水路面的滲透系數(shù)是可行的。

3.2路面材料組合對透水性能的影響

從表1～5可以看出，單環(huán)滲透試驗法得到的K30、現(xiàn)場滲透儀定水頭試驗法得到的Kh、雙環(huán)滲透試驗得到的K15及水頭高5 cm的單環(huán)K30，皆呈現(xiàn)

試件B>試件C>試件A的現(xiàn)象，且采用上述方法測得的3種材料的K值相近；采用現(xiàn)場滲透儀變水頭試驗法測得的3種材料的Kf幾乎相同。

總體而言，試件B(天然級配碎石)的滲透性最佳。分析原因，有可能是天然級配碎石無結合料，故透水性最佳；在水壓較高的情況下，試件C(再生鋼渣粒料)滲透性最好，其原因可能是試件底部鋼渣粒料具有多孔隙特性，當水分進出粒料空隙時，其受到壓力作用而加速滲出。

4結論

1) 采用現(xiàn)場滲透儀測定路面滲水系數(shù)是目前規(guī)范規(guī)定的檢測方法，試驗儀器攜帶方便，操作容易，根據(jù)能量守恒定律換算的滲水系數(shù)與ASTM-C1701單環(huán)滲透儀試驗法所得結果相近，故以其測定路面滲透系數(shù)是可行的。ASTM-C1701單環(huán)滲透儀試驗法使用的設備簡便且成本低廉，也可用于測定透水路面的滲水系數(shù)。

2) 就材料組合而言，試件B(天然級配碎石)滲透性最好，原因可能是天然級配碎石沒有膠結料，內(nèi)部粒料間空隙較多。當水壓較高時，試件C(鋼渣再生粒料)滲透性最高，原因可能是試件底部鋼渣粒料具有多孔隙特性，當水分進出粒料空隙時，水受到壓力作用而加速滲出。

3) 水壓越高或試驗儀器管徑越小，所得透水路面的滲水系數(shù)越大。ASTM-C1701單環(huán)滲透儀試驗法存在明顯的“尺寸效應”，試驗時應予以注意。

參 考 文 獻

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Comparison and Study on Test Methods for Water Permeability Coefficients of Permeable Pavement

ZHANG Ni

Abstract:This paper carries out water permeability tests at constant and variable water heads for 3 groups of test samples of permeable regenerative concrete, natural grading gravel and steel slag regenerative aggregates by means of field infiltrometer, single-ring infiltrometer and double-ring infiltrometer to analyze and compare applicability and difference of 3 test methods of water permeability coefficients. The test results show that the permeability of permeable regenerative concrete is superior to natural grading gravel and steel slag regenerative aggregates; the water permeability coefficients measured in field infiltrometer method (comparison group) and single-ring infiltrometer method (control group) are close to each other and can be used to determine water permeability coefficients of permeable pavement, but the test method with single-ring infiltrometer exhibits “size effect” and shall be sufficiently emphasized during determination of water permeability coefficients.

Keywords:road project; permeable pavement; water permeability test; water permeability coefficient

文章編號：1009-6477(2016)01-0006-05

中圖分類號：U416.2

文獻標識碼：A

作者簡介：張逆(1971-)，男，貴州省黔西縣人，碩士，高工。

收稿日期：2015-07-21

基金項目：交通運輸部西部建設科技項目(2014 318 J15 070)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.002