排水瀝青路面極限排水強(qiáng)度

汪 敏 何兆益 張從友

(1重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)(2重慶市市政設(shè)計研究院，重慶 400020)

目前國內(nèi)外常用滲透系數(shù)作為表征排水瀝青路面排水能力的評價指標(biāo)，不同學(xué)者采用不同理論與方法，研究不同的滲透系數(shù)測試方法[1-15].總結(jié)這些研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的滲透系數(shù)測試方法，測試原理大多是基于達(dá)西(Darcy)定律而研究得出的測試裝置和計算公式，且滲透系數(shù)的測試均為通過室內(nèi)試驗成型的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行的相關(guān)實驗，不能綜合反映不同路面結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)、路線設(shè)計參數(shù)和混合料設(shè)計參數(shù)下瀝青混合料的排水能力.

滲透系數(shù)雖然能夠說明多孔介質(zhì)的透水性，但不能單獨說明含水層的排水能力，相同滲透系數(shù)的多孔介質(zhì)含水層在不同厚度條件下其排水能力存在很大差異.若含水層有較大滲透系數(shù)，但含水層的厚度較小，其排水能力也很有限.采用滲透系數(shù)的不足主要有2個方面：①室內(nèi)、室外測量較難統(tǒng)一.②即使是室內(nèi)試驗，不同研究采用的測試方法(常水頭/變水頭)、水力梯度、試件尺寸都會對滲透系數(shù)的測量存在影響[7-8].為提高排水瀝青路面設(shè)計可靠性并彌補(bǔ)滲透系數(shù)表征排水能力存在的不足，本文基于實際降雨特征和雨水在排水層中的實際滲透特點，自主研發(fā)測試設(shè)備(極限排水強(qiáng)度測試儀)，采用測試結(jié)果極限排水強(qiáng)度來表征排水瀝青路面所能承受的瞬時降雨強(qiáng)度，用以反映排水瀝青路面的排水能力.

1 極限排水強(qiáng)度測試儀

排水瀝青路面出現(xiàn)表面徑流臨界狀態(tài)時，雨水充分填充了排水面層內(nèi)部所有空隙和路表坑槽孔洞，此時最大潛水面厚度與路面排水層厚度相等，排水表層水力傳導(dǎo)度趨于飽和值，外界給水速率與排水層的入滲能力剛好相等.若外界給水速率增大，則路面將產(chǎn)生表面徑流，出現(xiàn)水膜[10].

設(shè)定某一穩(wěn)定降雨強(qiáng)度，排水路面在臨界狀態(tài)即將出現(xiàn)水膜的某一時刻的穩(wěn)定降雨強(qiáng)度為排水表層所能承受的最大瞬時降雨強(qiáng)度，定義所對應(yīng)的水流速度為極限排水強(qiáng)度，計算式為

(1)

式中，qmax為試件所能承受的最大瞬時降雨強(qiáng)度，mm/min；Qmax為試件的極限排水強(qiáng)度，mL/min；b為試件寬度，取b=300 mm；L為試件長度，取L=300 mm.

當(dāng)給水速度小于路面的極限排水強(qiáng)度時，外界供水能被排水表層充分排出；當(dāng)給水速度大于路面的極限排水強(qiáng)度時，外界供水的一部分由排水表層排出，多余水分不能及時排出時，將形成表面徑流，沿著路面坡度從路表面排出.

雨水在滲流過程中豎向滲透和橫向滲透同時存在，兩者共同作用才能形成完整的排水路徑周期，達(dá)到排水效果[4].因此，本文模擬實際路面邊界條件，自主研發(fā)極限排水強(qiáng)度測試儀，已獲國家專利，如圖1 所示.

極限排水強(qiáng)度測試儀由水箱、水泵、閥門、流速表、降雨噴頭、試件固定裝置、液位探測儀、導(dǎo)電棒、承臺和螺栓、鉸鏈組成.其中，噴頭用以模擬降雨，完全覆蓋試件表面；實際排水瀝青路面的邊界條件則用試件固定裝置來模擬，底板和側(cè)板要求密封.試驗可以模擬當(dāng)路表出現(xiàn)徑流臨界狀態(tài)時，路面水分在分子凝聚力的作用下形成具有一定厚度的水膜.由于水是導(dǎo)電介質(zhì)，通過導(dǎo)電棒使液位探測儀形成閉合回路，從而開始工作，此時流速表上的讀數(shù)即為極限排水強(qiáng)度Qmax，表示單位時間內(nèi)排水的體積，與流速的單位一致，即mL/min.

圖1 極限排水強(qiáng)度測試儀

對比極限排水強(qiáng)度測試儀和國內(nèi)外學(xué)者研究的滲透系數(shù)測試儀發(fā)現(xiàn)[1-15]，室內(nèi)試驗通常采用基于常水頭的豎向滲透系數(shù)測試儀和基于車轍板試件的橫向滲透系數(shù)測試儀來表征排水瀝青混合料的排水能力.豎向滲透系數(shù)測試儀采用的是標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，所測試的結(jié)果是排水瀝青路面整個面層的排水能力，而非排水表層的排水能力；且滲透系數(shù)測量時只能夠改變試件的空隙率，而厚度和坡度指標(biāo)無法根據(jù)試驗需求變化.橫向滲透系數(shù)測試儀的雨水入滲面與實際路面的雨水入滲面不同，不符合實際降雨特征.而本文研發(fā)儀器彌補(bǔ)了以上缺陷：① 能更客觀模擬實際小范圍雨水均勻分散降落在路表面的降雨特征，且降雨入滲面和水流輸出面與實際路面相同；② 試驗滲流特征與實際路面的滲流特征相同，不需要考慮水在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙流動狀態(tài)，可視為三維無壓滲流；③ 將豎向滲透系數(shù)與橫向滲透系數(shù)相結(jié)合，不再進(jìn)行區(qū)分研究，且模擬實際滲流邊界條件，還原實際降雨和滲水工況特性；④ 利用液位探測儀客觀模擬量化路面出現(xiàn)表面徑流的臨界狀態(tài)，減少試驗誤差；⑤ 所測得的極限排水強(qiáng)度與瞬時降雨強(qiáng)度密切相關(guān)，能更直接客觀體現(xiàn)排水瀝青路面所能承受的暴雨強(qiáng)度，反映其極限排水能力大小.

2 極限排水強(qiáng)度與空隙率關(guān)系

根據(jù)排水瀝青路面與排水層厚度、排水橫坡和空隙率的相關(guān)關(guān)系，假定因素與響應(yīng)之間預(yù)測模型為多元高次多項式非線性回歸模型，用DPS數(shù)據(jù)處理軟件對模型進(jìn)行多因子及平方項逐步回歸，得到極限排水強(qiáng)度與影響因素的回歸模型式[5]為

Qmax=18.037d+54.037ih+2.158V2-1 466.083
R2=0.946 4

(2)

式中，d為排水層厚度，mm；ih為排水橫坡，%；V為排水瀝青混合料空隙率，%.

結(jié)合回歸模型(2)可以看出，極限排水強(qiáng)度Qmax與混合料空隙率呈指數(shù)遞增關(guān)系，增加空隙率將顯著增大路面排水能力.

根據(jù)式(2)選取排水瀝青路面常見的空隙率指標(biāo)19%、20%、21%、22%、23%作為研究對象，建立排水瀝青路面在不同空隙率條件下的極限排水強(qiáng)度的3D模型，如圖2所示.

圖2 不同空隙率條件下極限排水強(qiáng)度3D模型

從圖2可以看出，排水層厚度和排水橫坡增大時，混合料試件極限排水強(qiáng)度隨之增大；若僅考慮排水層厚變化影響，或只考慮排水橫坡變化的影響，瀝青混合料試件的極限排水強(qiáng)度均呈線性增長的趨勢，這與研究排水層厚度和排水橫坡單因素影響時變化趨勢相同；當(dāng)排水瀝青路面的空隙率不變時，極限排水強(qiáng)度的3D模型為平面模型.同時也看到，空隙率越大，極限排水強(qiáng)度3D模型平面所對應(yīng)的極限排水強(qiáng)度值越大，所能承受的最大瞬時降雨強(qiáng)度越大.

道路設(shè)計時，首先需從路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐久性等方面設(shè)計路面各結(jié)構(gòu)層和功能層之間厚度組合，以保證路面具有良好的穩(wěn)定性和耐久性等路用性能；其次需從路線設(shè)計的合理性、駕駛安全性等方面設(shè)計路面的橫坡，以保證駕駛安全可靠，因此需科學(xué)確定排水瀝青路面坡度.在確定排水層厚度和排水橫坡的基礎(chǔ)上，利用極限排水強(qiáng)度3D模型可以預(yù)測路面所需空隙率大小.

同理，由極限排水強(qiáng)度3D模型可以對特定環(huán)境下的排水路面設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化.

3 極限排水強(qiáng)度與滲透系數(shù)關(guān)系

目前室內(nèi)滲透系數(shù)試驗的假設(shè)前提是水在瀝青混合料空隙中的流動是層流，但實際路面狀況中的雨水則是無規(guī)則的流動，可見，當(dāng)前滲透系數(shù)試驗的結(jié)果與真實情況有一定差異.本文所研發(fā)的極限排水強(qiáng)度儀在設(shè)計時就綜合考慮了水流的流動狀態(tài)，所以結(jié)果更符合實際情況.

本文基于均勻試驗設(shè)計法將排水層厚度與排水橫坡相組合來進(jìn)行極限排水強(qiáng)度與滲透系數(shù)的關(guān)系研究.空隙率設(shè)定為18%～25%，排水層厚度、排水橫坡、空隙率即為均勻試驗設(shè)計的三因素X1、X2、X3，按照每個因素的設(shè)計范圍與公差數(shù)值，每個因素均設(shè)定為5個水平，選擇三因素五水平U5(53)均勻試驗設(shè)計，試驗設(shè)計方案如表 1所示.

表1 均勻試驗設(shè)計方案

通過在室內(nèi)開展排水瀝青混合料透水試驗研究不同空隙率條件下滲透系數(shù)關(guān)系，得出滲透系數(shù)與空隙率的回歸模型為[5]

K=0.004 8V2-0.162 0V+1.486 7
R2=0.912 0

(3)

式中，K為試件滲透系數(shù)，cm/s.

結(jié)合回歸模型(2)和(3)，研究不同空隙率下極限排水強(qiáng)度Qmax與滲透系數(shù)K的關(guān)系，計算結(jié)果如表2所示.

對表 2中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，對不同的擬合方程進(jìn)行優(yōu)選，得到其關(guān)系式為

Qmax=505.80lnK+180.037 0d+54.037 2ih+
293.27R2=0.990 86

(4)

將滲透系數(shù)K用極限排水強(qiáng)度Qmax表征，即

表2 不同空隙率下滲透系數(shù)值和極限排水強(qiáng)度

(5)

《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中瀝青路面的滲水系數(shù)測試方法采用路面滲水儀，表征單位時間內(nèi)路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)空隙滲透水的總量.由于排水瀝青混合料具有大空隙特征，文獻(xiàn)[16]研究表明，大空隙瀝青路面只適宜測試無壓下的滲水系數(shù)，路面滲水儀在滲水系數(shù)測定中，水流速度快時間少，無法精準(zhǔn)地記錄每次測試所用的滲流時間，因此該試驗方法所測得的數(shù)據(jù)離散性大，精確度不高.

通過式(5)可以看到，滲透系數(shù)與極限排水強(qiáng)度呈正相關(guān)，而與排水層厚度和排水橫坡呈負(fù)相關(guān).基于當(dāng)前滲透系數(shù)測試方法精度不高的難題，可以利用測試其極限排水強(qiáng)度來換算得出更準(zhǔn)確的滲透系數(shù).

對表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立滲透系數(shù)與極限排水強(qiáng)度規(guī)律直觀圖，如圖3所示.由圖可見，不同組合下極限排水強(qiáng)度與滲透系數(shù)K的關(guān)系變化規(guī)律和趨勢相同，都隨滲透系數(shù)增大而增大；在相同滲透系數(shù)時，排水層厚度對極限排水強(qiáng)度的影響更加顯著，呈正相關(guān)；在厚度相差不大的情況下(±5 mm)，排水橫坡的影響起主導(dǎo)作用，ih越大，極限排水強(qiáng)度則越大.

圖3 極限排水強(qiáng)度與滲透系數(shù)關(guān)系

實際排水瀝青路面的排水能力影響因素眾多，路面幾何尺寸方面，除路面厚度外，水流排出路面的最大距離也是重要的影響因素.但在暴雨狀態(tài)下，整個路面都已經(jīng)被雨水覆蓋，排水路徑已經(jīng)不是主要考慮的因素，路面自身的極限排水能力是此時的重要評價指標(biāo).同時，極限排水能力可以用來描述降雨強(qiáng)度的大小，減少了排水路徑長度和水頭差的測量，結(jié)果更加穩(wěn)定.由于室內(nèi)試驗的試件與實際路面尺寸存在一定的差異，模擬試驗與真實路面排水能力之間仍會存在一定的差距，這就需要通過增加試件數(shù)量和試驗次數(shù)來降低這種誤差，提高準(zhǔn)確度.

4 結(jié)論

1) 研發(fā)了極限排水強(qiáng)度測量儀器，可用于瞬時排水能力和極限排水能力測量.

2) 排水瀝青路面極限排水強(qiáng)度與滲透系數(shù)具有良好的相關(guān)關(guān)系，隨著極限排水強(qiáng)度的增大，滲透系數(shù)隨之增大.

3) 提出了用極限排水強(qiáng)度表征滲透系數(shù)的理論公式，可以利用測試其極限排水強(qiáng)度來換算得出排水瀝青混合料滲透系數(shù).

4) 增加瀝青混合料空隙率是增大路面排水能力的最有效方法，但需綜合考慮路用性能、路線的線形設(shè)計要求以及駕駛舒適性要求等.

5) 利用極限排水強(qiáng)度3D模型可以預(yù)測路面所需空隙率大小，還可以對特定環(huán)境下的排水瀝青路面進(jìn)行路面設(shè)計優(yōu)化.