童毅

（上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，上海市 200125）

高架橋梁排水瀝青路面的設(shè)計(jì)應(yīng)用與優(yōu)化設(shè)想

童毅

（上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，上海市 200125）

總結(jié)了美國(guó)、歐洲、日本及中國(guó)的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)國(guó)際研究方法及國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范，構(gòu)建了具體配合比設(shè)計(jì)流程及方法，提出了瀝青、粗集料、細(xì)集料及礦粉的具體技術(shù)指標(biāo)。依托現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際高架橋梁工程，對(duì)排水性瀝青路面的降噪性能、抗滑性能及排水性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明采用本文設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的OGFC瀝青路面性能較好，并具有良好的持久性。結(jié)合高架橋梁的特點(diǎn)，針對(duì)路面排水不暢及路側(cè)積水問題，從排水層厚度及排水設(shè)施等兩個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化，并提出了具體優(yōu)化設(shè)計(jì)措施。

高架橋梁；多孔隙；排水路面；設(shè)計(jì)運(yùn)用；效果評(píng)價(jià)；設(shè)計(jì)優(yōu)化

0　引言

多空隙排水降噪瀝青路面（簡(jiǎn)稱排水瀝青路面），英文“open-graded friction course”（OGFC），具有排水降噪的功能，其結(jié)構(gòu)特征為空隙率高，一般在15%～25%之間。

一般而言，多空隙排水降噪瀝青路面體系中中面層不透水，水分從道路兩側(cè)排入雨水收集系統(tǒng)，其特征分為“透”、“堵”、“排”三個(gè)功能［1-3］。其中：“透”指將雨水或相關(guān)區(qū)域的徑流下滲到排水面層中；“堵”指中面層不透水，避免中、下面層的瀝青混合料發(fā)生水損壞；“排”指將排水面層中雨水通過兩側(cè)排水管、排水平石或自然側(cè)面匯集到雨水收集系統(tǒng)中。另外，該瀝青路面還有一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是降低噪聲。其發(fā)達(dá)的空隙起到了多孔吸聲的效果，抑制輪胎下空氣被壓縮而產(chǎn)生“聲爆”現(xiàn)象。

為進(jìn)一步開展設(shè)計(jì)研究工作，本文選取了上海典型工程為依托，通過資料調(diào)研、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、設(shè)計(jì)研究及跟蹤回返等手段，對(duì)多孔隙排水瀝青路面的使用及效果進(jìn)行了深入研究，并對(duì)工程運(yùn)營(yíng)中暴露的問題提出優(yōu)化設(shè)想。

1　設(shè)計(jì)方法及運(yùn)用

1.1依托工程及設(shè)計(jì)方案

項(xiàng)目依托工程選取了上海市某高架路，原因如下：

（1）該高架路工程定位為城市快速路，設(shè)計(jì)車速80 km/h，因此OGFC具備較好的適用性，能較好地解決高速行車作用下引起的雨水揚(yáng)濺問題，并能有效提高路面雨天摩擦力，以進(jìn)一步提高行車安全性能；

（2）該高架路工程以客運(yùn)為主，兼有輕型貨運(yùn)交通，使用OGFC具備良好的適應(yīng)性，因其能有效減少因貨運(yùn)車輛較多情況下的孔隙污染堵塞，進(jìn)而避免大孔隙排水性瀝青路面的孔隙衰變過快問題。

該高架工程具體路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：

4 cmOGFC-13

0.5cm稀漿封層

5 cmAC-20

0.5cm封層

1.2國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)方法綜述［4，5］

美國(guó)FHWA法采用了近似瀝青比（ABR）的方法，前期主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)。1999年Kandhal及Mallick推薦出一套新的設(shè)計(jì)方法，具體設(shè)計(jì)流程有：選擇原材料（包括礦料、瀝青及纖維添加劑等）；以骨架間隙率（VCADCR）及規(guī)定瀝青用量為控制指標(biāo)，用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型測(cè)定集料間隙率，從而選擇設(shè)計(jì)級(jí)配；確定最佳瀝青用量等。因此可以看出，美國(guó)方法主要用于抗滑性能，級(jí)配偏細(xì)，瀝青用量偏高。

日本在混合料配合比方面由試算法確定，并以析漏試驗(yàn)為標(biāo)準(zhǔn)確定瀝青初始用量，并以馬歇爾、析漏、肯塔堡飛散及密度試驗(yàn)確定最佳瀝青用量，最后用透水、水穩(wěn)性、車轍試驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證。日本的設(shè)計(jì)方法重在考慮排水功能，因而級(jí)配一般偏大。

西班牙設(shè)計(jì)方法在確定瀝青用量方面，從兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行保證：第一個(gè)方面是不出現(xiàn)顆粒松散來(lái)確定最小瀝青用量；第二個(gè)方面是用不出現(xiàn)瀝青流淌及具有良好的排水性能為目標(biāo)進(jìn)行最大瀝青用量設(shè)計(jì)。

目前，我國(guó)有《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）及各地方標(biāo)準(zhǔn)，主要參照日本設(shè)計(jì)方法進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)。

1.3本文設(shè)計(jì)方法總體方案

鑒于國(guó)內(nèi)重載現(xiàn)象較多，排水瀝青路面目前運(yùn)用方面偏于謹(jǐn)慎，本次依托工程為客運(yùn)專用的城市快速路，不存在重載問題。

1.3.1配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)多年設(shè)計(jì)及運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)多孔隙排水降噪瀝青路面的特點(diǎn)及使用效果，具體配合比設(shè)計(jì)方法及流程如下：

（1）礦料配合比的確定：多空隙瀝青混合料通常采用2.36～4.75 mm之間為斷級(jí)配的礦料，粗集料所占比例高，大于4.75 mm顆粒含量不低于75%。以2.36 mm篩孔通過率在12%、15%、18%，礦粉用量為5%左右試配三組級(jí)配，按照暫定瀝青用量拌制混合料，制作馬歇爾試件，以確定滿足設(shè)計(jì)空隙率的礦料級(jí)配。

（2）初始瀝青用量確定：國(guó)外的研究結(jié)果和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，排水性瀝青路面空隙率20%時(shí)，集料表面的瀝青膜厚度約為14 μm。因此，上述暫定的三個(gè)合成級(jí)配，其暫定瀝青用量可根據(jù)美國(guó)加州經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

（3）最小瀝青用量確定：按《瀝青混合料肯塔堡飛散試驗(yàn)》（T0733-2000）進(jìn)行肯塔堡飛散試驗(yàn)，根據(jù)飛散損失率隨瀝青用量的變化規(guī)律繪制曲線，選擇最小瀝青用量。

（4）最大瀝青用量確定：通過瀝青的流淌試驗(yàn)，根據(jù)流淌率隨瀝青用量的變化規(guī)律繪制曲線，以此確定最大瀝青用量。

（5）最佳瀝青用量確定：最佳瀝青用量原則上為通過流淌試驗(yàn)求得的最大瀝青用量，以確保集料表面的瀝青膜具有足夠的厚度，保證混合料的耐長(zhǎng)期老化性。不過最佳瀝青用量還要根據(jù)混合料拌和過程中的實(shí)際情況，在流淌試驗(yàn)求得的最大瀝青用量和飛散試驗(yàn)中求得的最小瀝青用量之間合理設(shè)定。

（6）設(shè)計(jì)瀝青用量確定：以既定的最佳瀝青用量拌制多空隙瀝青混合料，進(jìn)行密度試驗(yàn)、馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、透水試驗(yàn)以及車轍試驗(yàn)。

1.3.2原材料性能要求

原材料的選擇和質(zhì)量的控制是整個(gè)瀝青混合料質(zhì)量控制的源頭，其各項(xiàng)指標(biāo)的試驗(yàn)及計(jì)算應(yīng)按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的方法執(zhí)行。原材料的技術(shù)性能及要求如下：

（1）瀝青：多空隙排水降噪瀝青混合料中采用的瀝青要防止集料飛散，并使其具有耐候性、耐水性、耐流動(dòng)性。根據(jù)適用場(chǎng)所，應(yīng)選用60℃黏度、韌性、黏韌性都改良過的高黏度改性瀝青。

（2）粗、細(xì)集料：多空隙排水降噪瀝青混合料的粗集料，必須均質(zhì)、干凈、堅(jiān)硬，具有耐久性，嚴(yán)格控制有害物質(zhì)。

（3）礦粉：填料必須采用石灰石等堿性巖石磨細(xì)的礦粉。礦粉必須保持干燥、清潔（回收的粉塵全部廢棄），能從石粉倉(cāng)中自由流出。

1.3.3排水性能設(shè)計(jì)

高架橋梁在采用多孔隙排水降噪瀝青路面后，需要排除的水主要為自然降水造成的路面徑流水，以及自然降水滲透進(jìn)入排水瀝青層間孔隙內(nèi)流動(dòng)的層間水。排水設(shè)施需要為層間水就近排出提供出路，如采用以往常規(guī)設(shè)施的點(diǎn)式排水口，則因?yàn)閷娱g水路徑過長(zhǎng)，接觸面積過小而導(dǎo)致排水不暢，因此需要設(shè)置連續(xù)型的排水設(shè)施來(lái)強(qiáng)化排水性能。圖1為排水設(shè)計(jì)方案圖。

圖1　排水設(shè)計(jì)方案圖

因該工程建設(shè)周期較為緊迫，故排水設(shè)施參照了浦西中環(huán)線排水路面試驗(yàn)段的排水做法：在橋面最外側(cè)、防撞墻根部30 cm范圍內(nèi)，預(yù)先鋪設(shè)具備一定透水能力的材料（浦西試驗(yàn)段采用的為級(jí)配碎石，本工程為復(fù)合材料絲棒），然后鋪筑全厚度排水瀝青層，以增加排水孔隙接觸面積。但因?yàn)楦呒軜蛄号潘O(shè)施受到橋梁結(jié)構(gòu)的限制，僅能在10 cm的瀝青層厚度內(nèi)布置，因此排水能力有限。

2　應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

2.1降噪性能

工程竣工后，對(duì)排水性路面及相同條件的普通路面進(jìn)行了噪聲測(cè)試［6］，結(jié)果如圖2所示。實(shí)踐表明在相同車速情況下，使用排水降噪路面后產(chǎn)生的路面噪聲平均比普通路面低5～7 dB，該效果在高速情況下尤為突出。

圖2　路面噪聲測(cè)試

2.2抗滑性能

在工程建成后每隔3～4個(gè)月對(duì)排水性瀝青路面和普通路面進(jìn)行一次構(gòu)造深度檢測(cè)，共檢測(cè)5次。經(jīng)過對(duì)120多組構(gòu)造深度檢測(cè)數(shù)據(jù)分析歸納后，得到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果（見表1）。

表1　現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)造深度和通車時(shí)間關(guān)系

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，得到排水性瀝青路面和AC路面的構(gòu)造深度TD（mm）分別與通車時(shí)間t（月）之間的關(guān)系，經(jīng)計(jì)算可知：

（1）排水瀝青路面的構(gòu)造深度明顯大于AC路面。剛建成時(shí)，排水性瀝青路面的構(gòu)造深度是AC路面的4.4倍，通車1年后增加到5.2倍。

（2）排水性瀝青路面和AC路面構(gòu)造深度隨時(shí)間的衰減速率分別為0.045和0.016（mm/月）。按照該速率，排水性瀝青路面在使用兩年左右，其構(gòu)造深度會(huì)降至1.2 mm。如果不采取養(yǎng)護(hù)措施，根據(jù)本文中得到的抗滑性能衰變規(guī)律，排水性瀝青路面空隙將在通車5～6年堵塞。

2.3排水性能

圖3為2009年10月至2013年4月期間對(duì)依托工程路面滲水系數(shù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。剛加鋪時(shí)，其滲水系數(shù)較高，達(dá)到1 450 mL/15 s，遠(yuǎn)高于規(guī)范要求值，且在未采取養(yǎng)護(hù)的條件下，交通運(yùn)行4年其滲水系數(shù)還高于規(guī)范要求的900 mL/15 s，比設(shè)計(jì)預(yù)期值理想。

圖3　滲水系數(shù)跟蹤檢測(cè)

3　優(yōu)化方案設(shè)想

經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)路面排水性能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，由于路面較寬，排水路徑過長(zhǎng)，在運(yùn)營(yíng)時(shí)余量較大情況下存在排水不暢，并引起最外側(cè)車道積水的問題。以下主要從排水層厚度設(shè)計(jì)及排水設(shè)施布置兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1排水層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上海降雨情況，得到以下降雨頻率累計(jì)圖。如按照80%的降雨概率保障，相應(yīng)降雨強(qiáng)度取值為0.43英寸/h（1英寸≈2.54 cm），如圖4所示。

圖4　上海地區(qū)降雨頻率圖

按圖5（橫坡按2.0%）計(jì)算，應(yīng)加鋪優(yōu)化設(shè)計(jì)厚度t計(jì)算結(jié)果為44.85 mm，計(jì)算見表2。

圖5　OGFC排水所需加鋪厚度設(shè)計(jì)流程圖

表2　加鋪優(yōu)化設(shè)計(jì)厚度流程表

因此，結(jié)合高架橋面鋪裝的常用設(shè)計(jì)厚度，將OGFC厚度定為4.5 cm，可滿足上海地區(qū)80%雨天下路面不出現(xiàn)水膜。如按常規(guī)面層厚度4 cm（也是清洗設(shè)備的有效清洗深度）來(lái)設(shè)置，也可保證上海地區(qū)約70%雨天下路面不出現(xiàn)水膜。

3.2排水設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)依托工程排水路面排水不暢問題，究其原因主要是排水路面過寬、雨量較大時(shí)路面孔隙內(nèi)流速較慢，排水不暢；連續(xù)型排水設(shè)施采用滲透性材料而非中空的排水管溝導(dǎo)致排水能力下降，引發(fā)層間水來(lái)不及排除、堆積在最外側(cè)車道引起路表積水。因此對(duì)于此類大寬度路面，需要通過兩方面措施來(lái)解決：一是盡量提高路側(cè)排水設(shè)施的排水效率，改原有實(shí)體滲透排水形式為中空管道排水；二是在較寬的路面內(nèi)部設(shè)置縱橫向透水暗管，縮短水在路面孔隙內(nèi)部路徑，提高排水速度。

標(biāo)準(zhǔn)段路側(cè)排水可采用30 cm側(cè)向復(fù)合材料蓋板溝形式，來(lái)保證排水功能的發(fā)揮。側(cè)向蓋板溝方案的具體計(jì)算過程如下：

按標(biāo)準(zhǔn)段寬度為15.25 m，按照橋梁每跨35 m設(shè)一雨水集水口考慮，則縱向兩個(gè)雨水口之間需排除的層間水流量為：

Q=I×B×L=0.47×15.25×35/3 600=0.07 L/s路側(cè)蓋板溝，其流量計(jì)算為：

取排水溝寬度0.3 m、高度為0.1 m時(shí)，則Q=7.15 L/s，可滿足層間排水需求。

圖6為標(biāo)準(zhǔn)段側(cè)向排水蓋板溝方案圖。

圖6　標(biāo)準(zhǔn)段側(cè)向排水蓋板溝方案圖

高架加寬路段由于寬度較寬，半幅寬度約為30 m，幾乎是標(biāo)準(zhǔn)段的2倍距離，考慮到OGFC內(nèi)部空隙排水速度較慢問題，可能造成靠近路中雨水積聚來(lái)不及排出而產(chǎn)生路表水膜、車尾水霧、路面反光的現(xiàn)象，加寬段建議設(shè)置為30 cm OGFC側(cè)向蓋板溝方案+車道中縱向排水管+橫向聯(lián)通排水管，形成網(wǎng)格式排水系統(tǒng)。圖7為加寬段排水方案圖。

圖7　加寬段排水方案圖

4　結(jié)　語(yǔ)

（1）總結(jié)了美國(guó)、歐洲、日本及中國(guó)的設(shè)計(jì)方法。研究結(jié)果表明，美國(guó)方法主要用于抗滑性能，日本的設(shè)計(jì)方法重在考慮排水功能。根據(jù)日本及國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范，作者構(gòu)建了具體配合比設(shè)計(jì)流程及方法，并提出了瀝青、粗集料、細(xì)集料及礦粉的技術(shù)性能要求及指標(biāo)。

（2）依托現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際高架橋梁工程，對(duì)排水性瀝青路面的降噪性能、抗滑性能及排水性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，采用本文設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的OGFC瀝青路面性能較好，并具有良好的持久性。

（3）針對(duì)高架橋梁排水設(shè)施受限、路面排水不暢及路側(cè)積水問題，本文從排水層厚度及排水設(shè)施等兩個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化，并提出了具體優(yōu)化設(shè)計(jì)措施。

［1］J.Hübelt and E.Sarradj，Tobias Lerch.A model for the acoustical optimization of porous road surfaces［J］.The 2002 International Congress and Exposition on Noise Control Engineering Dearborn，MI，USA.2002（8）：19-21.

［2］S.Carpinello1，Ph.L'Hermite，M.Be′rengier and G.Licitra.A new method to measure the acoustic surface impedance outdoors［J］. Radiation Protection Dosimetry，2004，111（4）:363-367.

［3］曹衛(wèi)東，陳旭，呂偉民.簡(jiǎn)述國(guó)內(nèi)外低噪聲瀝青路面研究狀況［J］.石油瀝青，2005（1）:50-51.

［4］Hans Bendtsen，Bent Andersen.Noise Reducing Pavements-State of the art in Denmark［R］.Danish Road Institute，Report 141，2005，12-14

［5］Phil Morgan.Guidance Manual for the Implementation of Low-Noise Road Surfaces［R］.FEHRL Report，2006.

［6］GB 1496-1979，機(jī)動(dòng)車輛噪聲測(cè)量方法［S］.

U416.2

B

1009-7716（2016）07-0072-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.021

2016-03-18

童毅（1975-），男，上海人，高級(jí)工程師，從事道路交通設(shè)計(jì)工作。