路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與修筑

劉士遠(yuǎn)

(黑龍江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 前 言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,涉及公路功能性指標(biāo)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求逐漸提高。其中,路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水是否通暢對(duì)路面使用壽命和使用功能的影響相對(duì)顯著。據(jù)有關(guān)調(diào)查[1,2],我國(guó)瀝青路面和水泥混凝土路面的過(guò)早損壞往往與承重結(jié)構(gòu)在水分浸入狀態(tài)下持續(xù)通行重載車輛有關(guān)。當(dāng)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部及其下部基礎(chǔ)材料當(dāng)中滲入的滯留水過(guò)多,將導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低和整體彎沉的增加,引發(fā)并加劇路面病害,如唧泥、錯(cuò)臺(tái)、斷裂、松散或坑槽,并使瀝青混合料集料剝落、加速瀝青膠結(jié)料的氧化等。在多雨地區(qū)和雨季集中的冰凍地區(qū),這一現(xiàn)象尤其突出。因此,做好路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。

1 依托公路概況

1.1 綏滿公路尚志至亞布力支線概況

綏滿公路“尚志-亞布力”支線位于東經(jīng)126°17′～129°08′、北緯44°30′～45°32′之間,所處區(qū)域公路自然區(qū)劃為Ⅱ2區(qū),即東北中部山前平原重凍區(qū)。路線途徑張廣才嶺北部山地,地形起伏較大,雞爪崗特征明顯,海拔高度在500 m上下波動(dòng)。沿線地表植被保持完好,一般以山坡坡腳為界,坡腳以上為林地,坡腳以下為水田,旱田較少。

路線所經(jīng)區(qū)域?yàn)楸睖貛Т箨懶詺夂?。年均氣?.8 ℃,最高溫度34.8 ℃,最低氣溫為-41 ℃;年均降水量691 mm,降雨期集中在6～8月;最大積雪厚度40 cm,最大凍深1.79 m;地面穩(wěn)定凍結(jié)期自11月中旬開(kāi)始,地面穩(wěn)定解凍期為4月中旬。冬季以西南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向,最大風(fēng)速22 m/s。路線所經(jīng)地帶公路易發(fā)生凍脹、翻漿[2,3]。

沿線地面表層、底層結(jié)構(gòu)為新生代第四紀(jì)沉積層和殘積層。地表土壤多為低液限黏土、風(fēng)化砂礫、碎石土等,下層為花崗巖。

沿線河流漫灘區(qū)土層含水豐厚,土質(zhì)松散,透水性良好,地下水位埋深較淺。

1.2 路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水試驗(yàn)段

為探討高等級(jí)公路瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工方法,觀察使用效果,在綏滿公路“尚志-亞布力”支線設(shè)計(jì)修筑了3段合計(jì)長(zhǎng)度1 500 m的瀝青面層下的瀝青穩(wěn)定碎石排水層試驗(yàn)路。其中第一段位于K76+000～K76+500,長(zhǎng)度500 m,為原路面結(jié)構(gòu);第二段位于K76+500～K77+000,長(zhǎng)度500 m,采用厚度6 cm的瀝青穩(wěn)定碎石排水層代替6 cm下面層;第三段位于K77+000～K77+500,長(zhǎng)度500 m,采用厚度8 cm的瀝青穩(wěn)定碎石排水層代替6 cm下面層和2 cm的“6%水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂礫+15%碎石”基層;第四段位于K77+500～K78+000,長(zhǎng)度500 m,采用厚度8 cm的瀝青穩(wěn)定碎石排水層代替8 cm的“6%水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂礫+15%碎石”基層,底基層調(diào)整為20 cm厚的“6%水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂礫+15%碎石”。在各試驗(yàn)段設(shè)置路面邊緣集水溝及排水管[2-4]。

2 路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 路面結(jié)構(gòu)

(1)原路面結(jié)構(gòu)Ⅰ。

K76+000～K76+500,常規(guī)設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu):4 cm中粒式瀝青混凝土(AC-16Ⅰ)黑龍江調(diào)整型、5 cm中粒式瀝青混凝土(AC-20Ⅰ)、6 cm粗粒式瀝青混凝土(AC-25Ⅰ)、16 cm“6%水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂礫+15%碎石”、16 cm“5%水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂礫+10%碎石”、20 cm砂礫墊層。

(2)結(jié)構(gòu)Ⅱ。

K76+500～K77+000,路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水試驗(yàn)段:4 cm中粒式瀝青混凝土(AC-16Ⅰ)黑龍江調(diào)整型、5 cm中粒式瀝青混凝土(AC-20Ⅰ)、6 cm瀝青穩(wěn)定碎石排水層(層底設(shè)封層)、16 cm“6%水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂礫+15%碎石”、16 cm“5%水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂礫+10%碎石”、20 cm砂礫墊層。

(3)結(jié)構(gòu)Ⅲ。

K77+000～K77+500,路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水試驗(yàn)段:4 cm中粒式瀝青混凝土(AC-16Ⅰ)黑龍江調(diào)整型、5 cm中粒式瀝青混凝土(AC-20Ⅰ)、8 cm瀝青穩(wěn)定碎石排水層(層底設(shè)封層)、14 cm“6%水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂礫+15%碎石”、16 cm“5%水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂礫+10%碎石”、20 cm砂礫墊層。

(4)結(jié)構(gòu)Ⅳ。

K77+500～K78+000,路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水試驗(yàn)段:4 cm中粒式瀝青混凝土(AC-16Ⅰ)黑龍江調(diào)整型、5 cm中粒式瀝青混凝土(AC-20Ⅰ)、6 cm粗粒式瀝青混凝土(AC-25Ⅰ)、8 cm瀝青穩(wěn)定碎石排水層(層底設(shè)封層)、20 cm“6%水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂礫+15%碎石”、20 cm砂礫墊層。

結(jié)構(gòu)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水路段均設(shè)置路面邊緣排水系統(tǒng)。在路面邊緣透水基層下設(shè)置集水溝,集水溝的左右側(cè)面和底部?jī)?nèi)襯防水型土工布,并在土工布表面噴灑一層乳化瀝青,以強(qiáng)化防水,避免集水溝中的水分滲入路基等,然后填充砂礫。集水溝匯集的流動(dòng)水,由φ50 mm、橫向外傾坡度5%的PVC集水管(或采用相同規(guī)格尺寸的側(cè)面不透水、內(nèi)部絲繞成型的土工排水管材成品)引至邊溝或邊坡坡面以外。

2.2 瀝青穩(wěn)定碎石排水層邊緣排水設(shè)施

(1)縱向集水溝。

在瀝青穩(wěn)定碎石排水層邊緣設(shè)置縱向集水溝,集水溝橫截面尺寸為30 cm×30 cm,側(cè)面和底部敷設(shè)防水土工布并噴灑一層乳化瀝青防止?jié)B水,集水溝底部鋪設(shè)以絲繞方式成型的多空隙塑料透水管,并回填砂礫。在透水管的側(cè)面,縱向間隔5 m與橫向排水管銜接。

(2)橫向排水管。

每隔5 m設(shè)置φ5 cm的橫向PVC排水管(或側(cè)面不透水、內(nèi)部絲繞成型的土工排水管材)。橫向排水管外傾坡度5%并伸出路基之外,伸出路基邊坡表面不少于10 cm,出水管出口端內(nèi)長(zhǎng)30 cm應(yīng)填充濾排水無(wú)紡?fù)凉た椢?如使用內(nèi)部絲繞成型的排水管,則無(wú)需填充)。

3 主要原材料與技術(shù)指標(biāo)

3.1 面層瀝青

面層瀝青采用AH-110重交通道路石油瀝青,其技術(shù)指標(biāo)要求如表1所示。

表1 面層瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

瀝青穩(wěn)定碎石排水層采用AH-90改性瀝青,技術(shù)指標(biāo)要求如表2所示。

3.2 封層瀝青

封層瀝青使用乳化瀝青PC-2、PA-2,用量0.7～1.1 L/m2。也可以使用液體石油瀝青AL(M)-1、AL(M)-2、AL(S)-1、AL(S)-2,用量0.6～1.1 L/m2。

結(jié)構(gòu)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的封層是在瀝青穩(wěn)定碎石排水層的下層表面噴灑一層橡膠乳化瀝青,再鋪一層防水土工布,土工布之上再噴灑一層橡膠乳化瀝青。封層乳化瀝青每次的用量為0.4～0.6 L/m2。

封層乳化瀝青的技術(shù)指標(biāo)要求如表3所示。

表3 封層用橡膠乳化瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

3.3 集料

根據(jù)規(guī)范要求,瀝青混合料采用的碎石應(yīng)當(dāng)具備良好的抗壓、抗磨性能, 需要選用反擊式或者錘式破碎機(jī)生產(chǎn)的機(jī)軋碎石。集料須干燥、潔凈、無(wú)風(fēng)化、無(wú)雜質(zhì)。對(duì)瀝青混合料集料的技術(shù)指標(biāo)要求如表4所示[4,5]。

表4 瀝青混合料集料的主要技術(shù)指標(biāo)

4 面層材料級(jí)配范圍

4.1 瀝青穩(wěn)定碎石排水層

瀝青穩(wěn)定碎石排水層的瀝青用量為3.5%,對(duì)應(yīng)的級(jí)配范圍及設(shè)計(jì)值如表5所示。

表5 瀝青穩(wěn)定碎石排水層級(jí)配

4.2 面層AC-16Ⅰ黑龍江調(diào)整型、AC-20Ⅰ、AC-25Ⅰ瀝青混合料級(jí)配

路面面層AC-16Ⅰ黑龍江調(diào)整型、AC-20Ⅰ、AC-25Ⅰ瀝青混合料的瀝青用量為5.2%,對(duì)應(yīng)的級(jí)配范圍如表6所示。

表6 面層AC-16Ⅰ黑龍江調(diào)整型、AC-20Ⅰ、AC-25Ⅰ級(jí)配

4.3 水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂礫

水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂礫的級(jí)配范圍如表7所示。

4.4 未篩分碎石

未篩分碎石的級(jí)配范圍如表8所示。

表8 未篩分碎石級(jí)配

5 結(jié)構(gòu)層瀝青混合料的碾壓

5.1 瀝青混合料的碾壓

(1)初壓。

首先使用8～10 t雙鋼輪輕型壓路機(jī)或光輪壓路機(jī)在混合料攤鋪后溫度較高時(shí)開(kāi)始初壓,鋼輪的線壓力不應(yīng)小于350 N/cm。碾壓速度保持在1.5～2.0 km/h,碾壓2遍,碾壓過(guò)程中,混合料不能出現(xiàn)推移或開(kāi)裂。碾壓路徑應(yīng)從路面外側(cè)向中間逐步過(guò)渡,相鄰的碾壓輪跡須重疊1/3～1/2輪寬,最后碾壓路中線部分。如果是單幅碾壓,需要從路面低側(cè)向高側(cè)過(guò)渡,壓完單幅為碾壓一遍,并且每條碾壓帶的折回點(diǎn)位都要等間距錯(cuò)開(kāi)。當(dāng)次碾壓完成進(jìn)行第二遍碾壓時(shí),用壓路機(jī)將所有錯(cuò)開(kāi)的折回點(diǎn)位打斜壓平。初壓后應(yīng)立即檢查平整度、路拱、高程等,符合要求方可進(jìn)行下一步工序。

(2)復(fù)壓。

初壓完成后,應(yīng)緊接著使用雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行復(fù)壓。碾壓速度4.0 km/h,宜采用45～50 Hz的振動(dòng)頻率,0.30～0.55 mm的振幅,并根據(jù)混合料的種類、溫度及厚度及時(shí)調(diào)整振動(dòng)頻率和振幅,在層次較厚時(shí)采用較高的頻率和較大的振幅,相鄰碾壓輪跡的重疊寬度為10～20 cm。在倒車時(shí)應(yīng)首先停止振動(dòng),并在反方向運(yùn)動(dòng)開(kāi)始后重新啟動(dòng)振動(dòng)。碾壓的遍數(shù)應(yīng)由試壓確定,一般為4～6遍,無(wú)明顯輪跡。

(3)終壓。

復(fù)壓完成后緊接著進(jìn)行終壓,終壓使用膠輪壓路機(jī)或關(guān)閉振動(dòng)的鋼輪振動(dòng)壓路機(jī),碾壓遍數(shù)不少于2遍且無(wú)輪跡,碾壓結(jié)束時(shí)混合料的溫度不應(yīng)低于70 ℃。

施工,排水層瀝青穩(wěn)定碎石混合料初壓、復(fù)壓、終壓的溫度分別控制在130～150 ℃、110～130 ℃、90～110 ℃。

5.2 碾壓時(shí)的重點(diǎn)注意事項(xiàng)

(1)當(dāng)使用平衡梁時(shí),必須緊跟在攤鋪機(jī)之后碾壓平衡梁下的兩行輪印。

(2)壓路機(jī)不得隨意停頓,而且停機(jī)時(shí)應(yīng)停靠在硬路肩上或倒到后面溫度低于70 ℃的地方,并且再起步時(shí),要把停機(jī)造成的輪跡碾壓至消失。

(3)壓路機(jī)碾壓過(guò)程中有瀝青混合料黏輪現(xiàn)象時(shí),可向碾壓輪灑水或加洗衣粉的水,嚴(yán)禁灑柴油,黏輪嚴(yán)重時(shí)需指定人工用鐵鍬清理干凈,同時(shí)修補(bǔ)黏起的路面。

(4)壓路機(jī)應(yīng)由路面較低的一側(cè)向較高的一側(cè)錯(cuò)輪碾壓。

(5)壓路機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪應(yīng)面向攤鋪機(jī),以避免或減少混合料出現(xiàn)碾壓波紋和熱裂縫。

(6)變換碾壓路線時(shí)需要在碾壓區(qū)內(nèi)較冷的一端改換路線。

6 試驗(yàn)路觀測(cè)結(jié)果

6.1 排水層滲水試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)的規(guī)定進(jìn)行排水層瀝青穩(wěn)定碎石混合料的滲水試驗(yàn)。在瀝青穩(wěn)定碎石排水層碾壓成型后,在不同路面結(jié)構(gòu)的排水層上,在距離路面左、右邊緣1.5 m及路面中線上各選6點(diǎn)進(jìn)行滲水試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 路面結(jié)構(gòu)排水層各測(cè)點(diǎn)的滲水系數(shù)

根據(jù)表9的試驗(yàn)結(jié)果,3段試驗(yàn)路瀝青穩(wěn)定碎石排水層的滲水效果良好。在排水層上用人工灑水,橫向排水管出水順暢。路面完工后,曾對(duì)橫向排水管出水口進(jìn)行跟蹤調(diào)查,當(dāng)年未觀察到明顯的排水跡象,經(jīng)分析,與路面完工不久,路面無(wú)開(kāi)裂、滲水等病害有關(guān)。兩年后的數(shù)次觀察,發(fā)現(xiàn)出水口位置有明顯的潮濕痕跡,說(shuō)明路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始發(fā)揮作用。

6.2 路面彎沉試驗(yàn)

路面完工后測(cè)試路表彎沉,檢測(cè)頻率為1次/20 m/車道。表10是各試驗(yàn)段路面彎沉檢測(cè)數(shù)據(jù)的綜合統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表10 路面彎沉檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表10可知,各試驗(yàn)段的路面彎沉實(shí)測(cè)值相差很小,結(jié)構(gòu)Ⅱ、結(jié)構(gòu)Ⅲ、結(jié)構(gòu)Ⅳ是采用瀝青穩(wěn)定碎石排水層的部分柔性基層,根據(jù)排水層位置的不同,路面彎沉值有所不同,但完全能夠滿足竣工驗(yàn)收對(duì)彎沉值的要求。

7 結(jié) 論

(1)采用瀝青穩(wěn)定碎石混合料排水層替代部分路面結(jié)構(gòu)層,以構(gòu)建路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)的方案是可行的。

(2)采用的3種排水層設(shè)置層位,對(duì)整個(gè)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度沒(méi)有明顯影響,對(duì)路表彎沉值及層底拉應(yīng)力的影響差別不大,可以根據(jù)實(shí)際路況需要選取不同的設(shè)置層位。

(3)排水層混合料的攤鋪、碾壓,需要對(duì)碾壓時(shí)間、溫度進(jìn)行嚴(yán)格掌控,安排好不同工序的銜接。排水層碾壓完成后應(yīng)盡快開(kāi)始下一層的鋪筑,同時(shí)嚴(yán)格控制黏層油的灑布量。