文/清華大學(xué)土木工程系 邢沁妍 鄭玨輝

德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)道路工程研究所 陸國(guó)陽(yáng)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院 王大為

我國(guó)城市建設(shè)面臨著水資源短缺、水環(huán)境污染、內(nèi)澇災(zāi)害加劇等問(wèn)題。海綿城市的構(gòu)建是解決城市雨洪的有效途徑，也是現(xiàn)階段國(guó)家的重大戰(zhàn)略需求。其中，道路系統(tǒng)占城市總面積的比例高達(dá)35%至50%，是大氣環(huán)境與地下水體系轉(zhuǎn)換的中心環(huán)節(jié)。透水鋪裝作為緩解城市內(nèi)澇等問(wèn)題的良方，已被廣泛應(yīng)用于道路工程的建設(shè)之中。傳統(tǒng)透水瀝青混凝土路面雖然具有取材便捷、工藝成熟等優(yōu)勢(shì)，然而由于混合料老化、松散等固有問(wèn)題，路面的功能性和使用壽命受到較大影響。

近年來(lái)，基于聚氨酯等新型材料設(shè)計(jì)的新型透水鋪裝逐漸顯現(xiàn)出耐老化、穩(wěn)定性較好，以及更為環(huán)保、舒適等優(yōu)點(diǎn)，從而成為學(xué)界研究的熱點(diǎn)，并在國(guó)內(nèi)外工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文首先簡(jiǎn)單介紹多孔透水路面的概念和分類，其次簡(jiǎn)要分析基于聚氨酯的新型透水路面的優(yōu)勢(shì)，最后概述其承載力研究的力學(xué)模型。

圖1 透水路面的類型

多孔透水路面的概念和分類

多孔透水路面，是指由較大孔隙率的混合料作為路面結(jié)構(gòu)層，允許路表進(jìn)入路面甚至路基的一類路面的總稱。常見(jiàn)的透水路面有透水磚路面、卵石和碎石路面、透水水泥混凝土路面、透水瀝青混凝土路面和新型聚氨酯透水路面等。生活中最普通常見(jiàn)的是由大小較為均勻的卵石或者碎石散落鋪成的露土路面，其通透性強(qiáng)，不長(zhǎng)雜草，適合于房舍周邊、人行道邊等難以綠化的位置。

透水路面為多層結(jié)構(gòu)，由上至下、從力學(xué)分析的角度一般可視為由面層、基層和墊層組成，墊層以下的部分即為路基。面層位于整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的最上層，直接承受交通荷載的垂直力和水平力，與其他結(jié)構(gòu)層相比，受到降雨和氣溫變化的影響最大，直接地反映在路面使用性能上；基層主要承受面層傳遞的垂直力作用，并把它擴(kuò)散到墊層和路基；墊層是介于基層與路基之間的層次，主要起隔水、排水和隔溫的作用，并傳遞和擴(kuò)散由基層傳來(lái)的荷載。并非所有的路面結(jié)構(gòu)都需要設(shè)置墊層，如果土基狀態(tài)良好，能夠排除路面、路基中滯留的自由水，可以不需要增加墊層。

根據(jù)多孔透水路面的透水特點(diǎn)，一般將其分為全透水、半透水和排水型（也稱為III型、II型、I型），如圖1所示。全透水型要求整個(gè)路面結(jié)構(gòu)即面層、基層和墊層都具有良好的透水性能，路表水進(jìn)入路面后直接進(jìn)入路基，水體在其中運(yùn)動(dòng)最為充分，其可能造成的污染物遷移、地下水污染等問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)也越大；半透水型要求面層和基層具有良好的透水能力，水進(jìn)入路面后滲入基層，在基層底部大部分水按一定速率由排水管道排出，少部分水可滲入墊層；排水型路面中，僅路表層透水，其下設(shè)置封層，雨水在面層底部由管道橫向排出。

與傳統(tǒng)路面相比，多孔透水路面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。可以減輕城市排水壓力，緩解城市內(nèi)澇，同時(shí)降低河流泛濫和水體污染的概率；增加城市蓄水能力，有效補(bǔ)充地下水，改善城市水循環(huán)；有效吸收噪聲，多孔結(jié)構(gòu)特性使其能有效吸收城市路域噪聲，降低噪聲污染；調(diào)節(jié)生態(tài)平衡，加強(qiáng)了熱量和水分在地表與空氣的交換，促進(jìn)水分的蒸發(fā)和吸熱，緩解“熱島效應(yīng)”，并改善植物和土壤里微生物的生長(zhǎng)條件，調(diào)整生態(tài)平衡；提升道路行車安全，避免雨天路面積水，增強(qiáng)車輛與路表之間的摩擦力。

傳統(tǒng)的透水路面多采用瀝青為面層骨料之間的膠結(jié)材料，盡管較之于傳統(tǒng)的密級(jí)配瀝青路面，透水性瀝青路面具有多方面的優(yōu)勢(shì)，但也存在一些影響功能發(fā)揮和服務(wù)壽命的問(wèn)題。一是老化問(wèn)題。其本身大孔隙結(jié)構(gòu)的特征使材料大面積暴露于空氣中，受空氣和水分的作用使瀝青老化加速，進(jìn)而出現(xiàn)混合料黏結(jié)性喪失、集料飛散和瀝青剝落等病害（如圖2所示）。二是承載力降低的問(wèn)題。在連續(xù)降雨和持續(xù)移動(dòng)荷載的作用下，其大孔隙結(jié)構(gòu)的承載力將隨服役時(shí)間而降低，道路功能性也會(huì)降低。三是透水性降低的問(wèn)題。服役過(guò)程中，公路污物碎屑或灰塵引起孔隙堵塞，導(dǎo)致透水能力降低，而孔隙堵塞的問(wèn)題在養(yǎng)護(hù)中不易解決，進(jìn)而影響透水路面的使用壽命。四是抗凍融和抗水損害能力差的問(wèn)題?；谶@些缺憾，探索新型多孔透水鋪裝必然成為當(dāng)今道路工程研究的重點(diǎn)之一。

圖2 透水瀝青路面表層的骨料剝落和孔隙堵塞

新型聚氨酯多孔透水路面優(yōu)勢(shì)

聚氨酯(polyurethane)全稱為聚氨基甲酸酯，是結(jié)構(gòu)中含有大量氨基甲酸酯基(-NHCOO-)的化合物，一般是由含兩個(gè)或兩個(gè)以上異氰酸酯基(-NCO)的化合物與含活潑氫的聚多元醇反應(yīng)而成。早在1849年德國(guó)科學(xué)家A. Wurtz（烏爾茨）便首先通過(guò)復(fù)分解反應(yīng)制得含氨基甲酸酯基的化合物，但是直到1937年德國(guó)Farben（法本）公司的化學(xué)家Otto Bayer（奧托拜）才合成了世界上第一種聚氨酯樹(shù)脂。

聚氨酯的工業(yè)化也由此從德國(guó)首先開(kāi)始，1941至1942年間，德國(guó)Bayer（拜耳）公司建立了能年產(chǎn)10噸的裝置來(lái)生產(chǎn)涂料和黏結(jié)劑等聚氨酯產(chǎn)品。美國(guó)在聚氨酯的研究方面起步較德國(guó)晚，但是在20世紀(jì)50年代也加快了聚氨酯的研究步伐，迅速實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，并于60年代逐漸形成了從原料生產(chǎn)到聚氨酯及其制品的開(kāi)發(fā)與加工的完整工業(yè)體系，在世界聚氨酯工業(yè)中取得了領(lǐng)先地位。20世紀(jì)70年代后，聚氨酯的研究和開(kāi)發(fā)進(jìn)入了以高性能、高效率、低污染和節(jié)能為目標(biāo)的新時(shí)期，并不斷取得重大技術(shù)進(jìn)步。

由于聚氨酯中含有的基團(tuán)都是強(qiáng)極性基團(tuán)，而且大分子中還有聚醚或聚酯柔性鏈段，因此聚氨酯具有“剛?cè)岵?jì)”的特點(diǎn)，同時(shí)具有良好的力學(xué)性能、耐低溫性能、耐摩擦性、耐屈撓性和耐化學(xué)品性等優(yōu)點(diǎn)，并已得到涂料、化工、土建、采礦等行業(yè)的廣泛應(yīng)用。作為一種生物黏結(jié)劑，由于聚氨酯完全可以替代瀝青的作用，并且具有環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)，近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外也被廣泛應(yīng)用于道路工程中。

利用聚氨酯優(yōu)良的物理黏接性能，可以將一般的骨料整合為一個(gè)堅(jiān)固、穩(wěn)定、開(kāi)放的多孔結(jié)構(gòu)，使得路面結(jié)構(gòu)具有孔隙率高和穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。進(jìn)而使基于聚氨酯設(shè)計(jì)的多孔透水路面，可以極大改善傳統(tǒng)透水路面中瀝青老化、堵塞和承載力降低等問(wèn)題，同時(shí)它集透水、透氣、降溫、減噪、美觀和環(huán)保等多功能為一體，并且在鋪裝中無(wú)需加熱，大大減小了施工過(guò)程中的二氧化碳排放量。

由此，近年來(lái)，基于聚氨酯的透水鋪裝在德國(guó)和中國(guó)均取得重要研究進(jìn)展和應(yīng)用。天津、浙江杭州等城市均已有聚氨酯黏合劑系統(tǒng)的透氣透水路面的工程實(shí)例。

圖3 聚氨酯透水路面在德國(guó)的應(yīng)用實(shí)例

多孔透水路面的力學(xué)模型

在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)于透水瀝青路面的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，多借鑒傳統(tǒng)密級(jí)配混凝土路面的研究方法，選取路表回彈彎沉值、瀝青混凝土層的層底拉應(yīng)力，以及半剛性材料層的層底拉應(yīng)力為研究指標(biāo)和設(shè)計(jì)指標(biāo)，亦選取結(jié)構(gòu)層厚度、層間結(jié)合等為目標(biāo)，通過(guò)試驗(yàn)法總結(jié)現(xiàn)象規(guī)律，提出基于經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，并基于此推出了《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 190-2012)等設(shè)計(jì)規(guī)程。近年來(lái)，隨著計(jì)算力學(xué)學(xué)科的發(fā)展及計(jì)算機(jī)技術(shù)的革命性進(jìn)步，多孔透水路面材料的微觀力學(xué)分析和宏觀力學(xué)特性機(jī)理成為相關(guān)研究的熱點(diǎn)，從材料的微觀特性出發(fā)，研究其強(qiáng)度、韌性、耐久性的力學(xué)原因，從車路耦合作用及多物理場(chǎng)耦合作用中多孔材料的承載力分析研究其全壽命過(guò)程中的力學(xué)機(jī)理等。

從宏觀上來(lái)看，路面屬于層狀結(jié)構(gòu)，其彈性階段、黏彈性階段的宏觀力學(xué)表現(xiàn)和模擬分析已經(jīng)相對(duì)成熟。從微觀上來(lái)看，路面為顆粒材料，可以以顆粒力學(xué)的方法進(jìn)行研究，而多孔透水路面與傳統(tǒng)密級(jí)配路面的不同在于，由于其開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的本質(zhì)與較強(qiáng)的透水性，路面或路基結(jié)構(gòu)往往處于非飽和狀態(tài)或是飽和與非飽和同時(shí)存在的形態(tài)。因此，水在材料中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、對(duì)骨料受力的影響、對(duì)材料老化等各方面的影響不可忽略。也就是說(shuō)，作為多孔結(jié)構(gòu)，材料內(nèi)部存在著固、液、氣三相物質(zhì)的耦合作用，而在服役期間，除外荷載作用尚有溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)的耦合作用進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力，從而形成一個(gè)多項(xiàng)多場(chǎng)耦合的復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題。

研究這一復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題，首先要考慮多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的滲透特性，滲透性往往通過(guò)滲透系數(shù)這一重要指標(biāo)描述與表征。國(guó)內(nèi)外目前對(duì)于滲透系數(shù)的測(cè)量，一般都以達(dá)西定律為基礎(chǔ)，即滲流量與上下游水頭差和垂直于水流方向的截面積成正比，而與滲流長(zhǎng)度成反比，表示如下：

其中，H1、H2分別為通過(guò)試樣前后的水頭；L為試驗(yàn)沿水流方向的長(zhǎng)度；A為橫截面積；K為比例系數(shù)，即滲透系數(shù)。上式也可改寫(xiě)為：

其中， V為滲流速度；J為水力坡度

對(duì)于多孔透水路面，透入水的滲透速率主要由各層的滲透系數(shù)決定，而排出水的速率則取決于透水路面的出水能力。為多孔瀝青透水路面和聚氨酯透水路面分別建立相應(yīng)的滲流模型，是力學(xué)建模的第一步。

自K. Terzaghi（太沙基）提出一維固結(jié)理論以來(lái)，目前關(guān)于飽和滲流的理論研究和實(shí)際工程應(yīng)用得以較大發(fā)展，但多孔路面所處的非飽和狀態(tài)給力學(xué)建模造成一定的困難，其中的很多現(xiàn)象和問(wèn)題用飽和滲流理論無(wú)法有效解釋，一些非飽和土的模型和理論正逐漸被引入多孔透水路面的分析。20世紀(jì)80年代末，Alonso（阿隆索）、Gens（簡(jiǎn)斯）等對(duì)非飽和土的彈塑性模型開(kāi)展研究，而O. C. Zienkiewicz（辛克維奇）等對(duì)固－液－氣三相多孔介質(zhì)力學(xué)模型進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，嚴(yán)格推導(dǎo)出了非飽和狀態(tài)下描述多孔介質(zhì)力學(xué)現(xiàn)象的公式：

其中，α為模型參數(shù)，大多數(shù)情況下，固相不可壓縮，α=1；kij為滲透系數(shù)，若為各向同性材料，則用ki表示；P為孔隙水壓力；Q*為考慮固－液－氣三相的組合壓縮系數(shù)；代表液體的體積變化率；ρf為液體密度；bj為體積力；üj為固體加速度。從而奠定了非飽和多孔介質(zhì)的本構(gòu)模型的基礎(chǔ)。此后相繼有許多非飽和多孔介質(zhì)力學(xué)模型被提出?；诹鞴恬詈系慕嵌瓤紤]加載卸載和排泄吸滲的循環(huán)作用，分別從滲流和變形兩方面對(duì)非飽和土建立了控制微分方程，并通過(guò)消除其中一些共同的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)滲流與變形之間的相互耦合。最后，再配合表征應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)方程，這樣就建立了完整的控制方程：

其中，Krw分別為水相和氣相的相對(duì)滲透率；K為土的內(nèi)部滲透率；uw，ua分別為水和氣體的動(dòng)力粘度；Pw，Pa分別為孔隙水和空氣壓力；Pw為水的密度；g為重力加速度矢量；為增量形式的有效應(yīng)力參數(shù)；為固體的速度矢量；均為模型參數(shù)，，Sr代表飽和度，S代表基質(zhì)吸力，Cw，Ca分別為水和氣體的壓縮系數(shù)，Nw，Na分別代表水和氣體的體積含量。若考慮固體顆粒的塑性因素的影響有：

其中D，De，Dep分別為剛度矩陣，彈性剛度矩陣，彈塑性剛度矩陣；n，m分別為垂直于邊界面和塑性流動(dòng)的單位方向向量；h為塑性模量。

在構(gòu)建控制方程之后，可以采用有限元法等數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)其求解。而基于有限元法的眾多商業(yè)通用軟件，也為多孔透水路面的力學(xué)分析提供了另一種實(shí)現(xiàn)的方式，其求解飽和狀態(tài)下土的力學(xué)特性的功能相對(duì)完善，然而對(duì)于非飽和狀態(tài)下顆粒物質(zhì)的計(jì)算功能相對(duì)薄弱，可采用的有效力學(xué)模型不多。這也是當(dāng)前多孔透水路面力學(xué)分析中亟待突破的地方。

多孔瀝青透水路面、新型聚氨酯透水路面已廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐，本文基于力學(xué)分析的角度概述其結(jié)構(gòu)分類、優(yōu)勢(shì)及力學(xué)建模要點(diǎn)。目前，新型聚氨酯透水路面尚主要用于低頻輕載道路，如城市廣場(chǎng)、停車場(chǎng)、人行道和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等，在公路、機(jī)場(chǎng)和港口等高頻重載路面中的設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)還有待進(jìn)一步的研究與驗(yàn)證。