市政道路瀝青層透水性研究

劉 瑋

(山西省晉中路橋建設集團有限公司，山西 晉中 030600)

1 概述

為了迎合“海綿城市”的建設和發(fā)展潮流，在省內(nèi)最近幾年的市政道路建設實踐中，透水性瀝青面層的使用日益廣泛和普遍，所謂透水性瀝青路面就是選用孔隙比較高的瀝青混合料鋪筑，滿足瀝青路面層水分下滲的要求。為了在滿足承載能力的基礎上，最大程度提升滲透能力，瀝青路面面層、基層及底基層均使用透水性、孔隙比更高的筑路材料，保證路面正常服役過程中，路面水分能以最快速率下滲。市政透水性瀝青混凝土路面的各層均具備透水性，路面積水可以快速經(jīng)由面層及各基層直接下滲到地基內(nèi)，從而起到富集水分的目的，不但可以快速排盡城市道路積水，還能緩解城市“熱島效應”，實現(xiàn)水資源的循環(huán)、高效利用。

但是，由于大量水分滲透到路面各結構層內(nèi)，導致筑路材料長期處于飽水狀態(tài)，在靜水壓力、動水壓力及上部荷載的長期耦合作用下，導致面層、基層混合料顆粒之間的相互嵌鎖力下降，最終表現(xiàn)為道路承載能力下降、路面結構整體性被削弱。結合省內(nèi)部分城市的交通量分布特點，透水瀝青混凝土市政道路主要被應用在交通量較低的支線道路或者專用道路中。

2 省內(nèi)市政道路透水性瀝青路面結構分析

2.1 省內(nèi)市政道路透水瀝青路面結構方案

結合JTG D50—2017公路瀝青路面設計規(guī)范中的相關內(nèi)容，在對透水性瀝青層結構設計過程中，必須結合省內(nèi)施工地區(qū)的地質、水文、氣候、交通量等相關因素，并結合現(xiàn)場試驗，制定最合理的透水瀝青層結構形式，并精確計算各結構層的厚度值。

針對透水瀝青路面設計問題，由于透水瀝青各層碎石粒徑級配連續(xù)性低，混合料孔隙比較大，瀝青各層的綜合承載能力較低，因此，在制定瀝青層方案時，必須優(yōu)先解決路面的透水效率問題，在保證透水效率的基礎上，保證透水瀝青的承載能力、穩(wěn)定性及耐久性相關指標滿足實際要求。在設計透水瀝青結構層時，瀝青各層并非是單純的結構層標量疊加，經(jīng)優(yōu)化后的結構層設計必須體現(xiàn)在不同層的協(xié)調(diào)變形能力，最大程度發(fā)揮不同結構層的性能優(yōu)勢。本工程項目結合省內(nèi)道路使用工況要求，設計了如下三個透水瀝青結構層方案，透水瀝青道路寬度B=8 m，縱坡率值i1=1.5%，斷面橫向超高坡率值i2=2.5%。三種設計方案見圖1。

其中，設計方案一中，由上至下各層材料分別為：瀝青表面層、瀝青混凝土穩(wěn)定碎石面層、連續(xù)級配碎石基層、滲透性土工材料層、夯實地基層；設計方案二中，由上至下分別為：瀝青表面層、瀝青混凝土穩(wěn)定碎石面層、瀝青混凝土穩(wěn)定碎石基層、連續(xù)級配碎石基層、滲透性土工材料層、夯實地基層；設計方案三中，由上至下分別為：瀝青表面層、瀝青混凝土穩(wěn)定碎石面層、水泥混凝土穩(wěn)定碎石基層、連續(xù)級配碎石基層、滲透性土工材料層、夯實地基層。經(jīng)施工項目現(xiàn)場試驗分析可知，設計方案一的整體承載能力較差，在上部荷載作用下容易出現(xiàn)不均勻沉降病害，不滿足車輛等中、重交通量要求，該設計方案適用于市政步道、人行道、廣場、步行街等施工項目中。設計方案二的承載能力和變形剛度較方案一有了顯著提升，但承載能力尚不滿足市政公路通行要求，因此，被普遍應用在小區(qū)專用道路、停車場等施工項目中。設計方案三屬于典型的半剛性基層體系，其承載能力和變形剛度均達到市政道路的設計要求，可以應用在市政主干道的施工項目中。

2.2 市政道路透水瀝青層內(nèi)部排水結構

透水瀝青層道路結構體系可以保證滲透至瀝青層內(nèi)的水分最終順利滲透到地基中，及時補充地下水，實現(xiàn)水資源的循環(huán)、高效利用；但是，若地基土的吸水性較低時，將導致各基層中滲透的水分無法及時吸收，最終集聚在各基層中。結合項目現(xiàn)場調(diào)查情況，大部分的滲透水在路基中的流速較低，能夠視為是層流體，地基的滲透性指標可知，借助達西定律能夠計算出透水瀝青層的排水時間，本項目的計算結果如表1所示。

表1 透水瀝青層結構水分外排時間(0.1 m3)

分析表1可知，若瀝青路基土層的滲透系數(shù)指標K≤10-5cm/s，對應的瀝青層結構所排出0.1 m3水分需要的時間為7 d；若K≤10-7cm/s時，對應的排出0.1 m3水分需要的時間將近一年，在該情況下，瀝青路面結構基本視為是密封的，能夠認為是路面結構體系被整體置于封閉式“水浴”內(nèi)，滲透到瀝青層的水分無法快速滲透到基底，長期滯留在路面各結構層中，形成結構層積水。一旦瀝青結構層中積水無法順利滲透，將對瀝青各層結構產(chǎn)生嚴重的破壞和影響，由于自由水的長期浸泡和沖刷，導致瀝青混合料之間的相互嵌鎖能力下降，承載能力隨之被削弱，在上部車輛荷載的瞬時作用下，傳遞至各層的荷載將對積水產(chǎn)生一定的擠壓力，進而形成高壓水柱，瀝青混合料碎石在高壓水柱的沖刷下將引發(fā)瀝青路面“唧泥”，進而引發(fā)車轍、開裂等病害；此外，省內(nèi)冬季大部分地區(qū)進入冰凍期，若冰凍深度超過路面厚度值，將在高于地下水的位置出現(xiàn)嚴重的不均勻凍脹病害，導致瀝青各層出現(xiàn)脫空和錯臺病害。

綜上，為了保證透水性瀝青層結構的長期、可持續(xù)服役能力，必須在路面內(nèi)部布設相應的排水體系，能夠及時將各層積水引流至路面結構以外，有利于改善瀝青路面的承載能力，延長服役時限。

3 外荷載作用下的透水性瀝青層承載能力影響因素

本文以省內(nèi)某市市政高速連接線施工項目為例，連接線項目路基路面結構擬使用透水性瀝青層結構體系，為了滿足區(qū)域交通量設計要求，保證市政道路的通行能力，路基路面結構選用2.1中的方案三，著重對設計方案三的承載能力影響因素進行全面分析。

為了遴選出最佳的設計方案，分別調(diào)整透水瀝青基層的組合形式、底基層級配碎石彈性模量及地基彈性模量等數(shù)值，并計算相應的受力計算。表2為備選設計方案。

表2 備選設計方案

圖2為不同影響因素下的設計方案三承載能力變化情況。

經(jīng)對比，在上部車輛荷載作用下，設計方案三相較于其他設計方案的形變量小，在正常承載條件下，設計方案三的路面最大彎沉值為0.481 mm，通過提升地基土彈性模量值能夠降低路面的剛性變形。相較于復合基層，通過提高水穩(wěn)碎石基層厚度值能夠控制彎沉值，但設計方案三中的水穩(wěn)碎石基層層底的拉應力值增加，并和級配碎石基層的彈性模量值呈負相關關系，但總體上低于瀝青碎石基層底部的拉應力降低幅值。

4 結語

通過工程實踐研究表明，透水瀝青層路面結構體系能夠很好地解決城市市政道路的積水問題，實現(xiàn)水資源的高效循環(huán)利用；透水性瀝青路面設計有別于一般的瀝青路面結構，必須在滿足透水性要求的基礎上，確保市政道路的承載能力、剛度等滿足設計要求；在后續(xù)的工程實踐研究中，還應繼續(xù)深化對透水性瀝青路面設計的精準性，及早建立統(tǒng)一的設計標準和規(guī)范。