■王 豹

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019)

0 引言

雨水降落到瀝青路面后，一部分雨水通過橫坡和縱坡流向路肩和路基外，也有相當(dāng)一部分雨水會(huì)沿著路面裂縫、接縫、路表面滲入路面結(jié)構(gòu)中，或沿著路面混合料的孔隙滲入到路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部；在地下水位高時(shí)，地下水也會(huì)通過毛細(xì)滲流進(jìn)入到路面結(jié)構(gòu)下部。進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的自由水，可繼續(xù)向路基下部和兩側(cè)路肩鋪面結(jié)構(gòu)滲流而逐漸排走。當(dāng)路面排水設(shè)施年久失效，同時(shí)路基由低透水性土填筑，而路肩鋪面結(jié)構(gòu)層和土基也為低透水性時(shí)，進(jìn)入到路面結(jié)構(gòu)的自由水無法排出，因此會(huì)長時(shí)間積滯在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部。被圍封在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的水分，會(huì)浸濕各結(jié)構(gòu)層材料和路基土，使其強(qiáng)度降低，變形增加，從而使路面結(jié)構(gòu)的承載力降低，在行車荷載的作用下形成水流，沖刷結(jié)構(gòu)層材料。因此，有必要對拼接結(jié)構(gòu)的滲流情況進(jìn)行分析。

1 工程概況

某高速公路始建于1996年，在2000年年底完成高速化改造，采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度100km/h。隨著交通量的持續(xù)增加，該道路將無法滿足未來幾年交通需求，有必要進(jìn)行拓寬改建?，F(xiàn)狀路基寬度為17m，包括行車道2×3.75m、硬路肩2×2.5m、土路肩2×0.75m、中分帶2m和左、右側(cè)路緣帶2×0.5m。原瀝青路面的路面結(jié)構(gòu)為：4cmSMA-13+8cmSUP-20+5cmSMA-16+14cm老瀝青路面+30cm二灰碎石+20cm二灰穩(wěn)定土。經(jīng)計(jì)算，既有硬路肩加鋪后路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果無法滿足要求，考慮到采用硬路肩整體挖除方案，可以最大程度控制新舊路基沉降差異，避免硬路肩內(nèi)部可能存在的隱形病害，有利于延長使用壽命。路面加寬施工時(shí)，首先將原有路面硬路肩挖除，剩下2×3.75m的行車道，然后分別挖臺(tái)階鋪筑新瀝青路面，新路面結(jié)構(gòu)為：4cmSMA-13+6cm-SUP-20+9cmSUP-25+19cm水泥穩(wěn)定碎石+19cm水泥穩(wěn)定碎石+20cm低劑量水穩(wěn)。因此，拓寬設(shè)計(jì)采用硬路肩整體挖除的拼接方案，如圖1所示。

圖1 道路拓寬拼接方案

國內(nèi)外大量研究表明，在降雨初期以及雨停后的一段時(shí)間內(nèi)，瀝青混凝土路面是處于一種非飽水狀態(tài)的，這是降雨期間路面的一個(gè)真實(shí)狀態(tài)。在道路拓寬工程中，拼接部位往往是道路的薄弱環(huán)節(jié)，極易在拼接臺(tái)階處產(chǎn)生積水，嚴(yán)重影響道路的使用壽命，有必要對道路拼接臺(tái)階處積水產(chǎn)生過程和原因進(jìn)行分析，采取必要的預(yù)防措施。ABAQUS有限元軟件可對瀝青路面在一定降雨強(qiáng)度條件下的滲流情況進(jìn)行模擬，分析飽和狀態(tài)和非飽水狀態(tài)下降雨在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的滲流規(guī)律，為后期進(jìn)一步研究路面排水提供真實(shí)可靠的依據(jù)。

2 有限元模型建立

參考相關(guān)設(shè)計(jì)文件和現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)(如圖1)，建立降雨滲導(dǎo)路面模型。由于研究重點(diǎn)為路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部滲流情況，而路面結(jié)構(gòu)具有對稱性，為了方便分析只建立右半邊路幅模型。模型尺寸高5m，邊坡坡度為1：1.5，橫向坡長3m，向右側(cè)延伸3m，邊坡下土基深度3m，地下水位為路面以下4m。網(wǎng)格劃分過程中，對瀝青面層結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)加密處理，半剛性基層及路基部分的網(wǎng)格較稀疏，其中瀝青面層采用四邊形網(wǎng)格，單元大小0.06m×0.06m，共有5400個(gè)；基層與底基層為四邊形網(wǎng)格，單元大小0.10m×0.10m，共有6230個(gè)；土基為四邊形網(wǎng)格，單元大小0.2m×0.2m，共有19320個(gè)。

路面材料滲流參數(shù)的設(shè)定中，為簡化模型，將加鋪路面瀝青結(jié)構(gòu)層視為同一材料，原瀝青路面上部結(jié)構(gòu)視為同一材料；而下部老瀝青路面包括AC-16，AC-25Ⅰ，和AC-25Ⅱ，因孔隙率較大，視為同一材料；另外二灰碎石，水穩(wěn)碎石基層和底基層的孔隙率較小，也視為同一材料。因此，假定各結(jié)構(gòu)層間視為完全連續(xù)，假定水的流速和流量在各層之間連續(xù)分布；假定路表面無裂隙存在，滲流分析不考慮蒸發(fā)的影響；假定初始地下水位位于路表面以下4m的位置；根據(jù)相關(guān)資料，在正常降雨條件下，2h內(nèi)即可認(rèn)為瀝青面層達(dá)到飽和狀態(tài)，非飽水分析的降雨時(shí)間設(shè)定為2h，同時(shí)考慮排水規(guī)律與計(jì)算量，將降雨停止后的排水分析時(shí)間設(shè)定為一個(gè)月。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求和有限元模型結(jié)構(gòu)，設(shè)置9個(gè)數(shù)據(jù)分析點(diǎn)，如圖2所示。數(shù)據(jù)分析點(diǎn)1、2、3、4分別位于表面層中部、SUP-25中面層中部、老瀝青路面中部和基層中部。由于老瀝青路面孔隙率較高，滲水系數(shù)較大，而下部的二灰碎石和右側(cè)的水穩(wěn)碎石基層滲水系數(shù)較小，可能存在雨水滯留現(xiàn)象，需要重點(diǎn)觀察臺(tái)階處的含水量情況(如圖2位置3)。另外，由于加寬路面寬度較大，臺(tái)階處滯留的雨水在降雨停止后，需要通過較長的滲流路徑才能排出路面結(jié)構(gòu)；在右側(cè)水穩(wěn)碎石基層，通過8號(hào)和9號(hào)測量點(diǎn)，分別觀察上下兩層水穩(wěn)基層的含水量變化和滲流規(guī)律，通過分析得到雨水在路面各結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的滲流規(guī)律。

圖2 數(shù)據(jù)分析點(diǎn)位置示意圖

3 路面滲流規(guī)律分析

3.1 初始狀態(tài)結(jié)果分析

初始狀態(tài)計(jì)算完成后，進(jìn)行可視化處理模塊，得到最終的飽和度分布云圖和初始孔隙水壓力分布云圖，其中路面結(jié)構(gòu)飽和度初始狀態(tài)的云圖如圖3所示。

圖3 路面結(jié)構(gòu)飽和度初始狀態(tài)

對比飽和度分布云圖和初始孔隙水壓力分布云圖可知，水位以下的飽和度為1，水位以上飽和度迅速減小，這與路基路面水位的實(shí)際分布情況基本一致?？紫端畨毫ρ芈访嫔疃然境示€性分布，路面底部孔壓為100kPa，頂部為-200kPa(吸力)，與實(shí)際路面狀態(tài)相符。研究表明，非飽和區(qū)的初始孔隙水壓力在浸潤面上初始孔隙水壓力為零，向上基質(zhì)吸力逐漸增大，但當(dāng)超過某一高度后，則基質(zhì)吸力保持不變。

3.2 降雨期間雨水入滲結(jié)果分析

在地下靜水位作用下，各面層結(jié)構(gòu)在降雨前處于非飽和狀態(tài)，在降雨開始后，雨水的單位時(shí)間內(nèi)實(shí)際入滲量達(dá)到最大值；當(dāng)雨水滲入后，結(jié)構(gòu)層快速儲(chǔ)存滲入的水分，飽和度會(huì)顯著地上升；一段時(shí)間后，各結(jié)構(gòu)層現(xiàn)暫態(tài)的飽和區(qū)，入滲率也達(dá)到穩(wěn)定值，而下部的結(jié)構(gòu)還處于非飽和狀態(tài)，故上部結(jié)構(gòu)的水分開始向下部擴(kuò)散，飽和度有所降低，直到趨于穩(wěn)定，飽和度不再發(fā)生變化。通過讀取各分析點(diǎn)的含水量，得到降雨期間各結(jié)構(gòu)層含水量隨時(shí)間的變化情況。

在降雨初始時(shí)刻，上面層瀝青混凝土處于非飽和狀態(tài)，體積含水量為6.63%。在降雨的前10s面層顆粒材料之間的基質(zhì)吸力還未達(dá)到進(jìn)水閥值，雨水還未進(jìn)入面層內(nèi)部，含水量沒有明顯增加，基本保持在初始含水量值。此階段由于非飽和瀝青混凝土滲透系數(shù)較低，單位入滲量受滲透系數(shù)的控制等于滲透系數(shù)強(qiáng)度，隨著降雨的進(jìn)行含水量緩慢增加，面層飽和度增加，基質(zhì)吸力開始降低，滲透系數(shù)開始增大。當(dāng)降雨進(jìn)行到大約180s時(shí)出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，含水量為6.71%，此時(shí)面層顆粒材料之間的基質(zhì)吸力達(dá)到進(jìn)水閥值，雨水開始大量進(jìn)入面層，含水量迅速增加，到600s時(shí)含水量已達(dá)到7.89%。到900s左右含水量已基本達(dá)到飽和值，隨著降雨的進(jìn)行增加比較緩慢，在降雨進(jìn)行到3900s左右時(shí)已達(dá)到完全飽和，含水量為8.00%。中面層、下面層的滲水情況與上面層基本一致，中面層在在300s后的增速開始減慢，到7200s雨停時(shí)已完全達(dá)到飽和狀態(tài)，下面層在降雨結(jié)束時(shí)下面層還未達(dá)到完全飽和狀態(tài)，因此，降雨期間新舊路面的臺(tái)階處還沒有出現(xiàn)積水。水泥穩(wěn)定碎石基層在雨停時(shí)仍處于非飽和狀態(tài)，水還未進(jìn)入到水泥穩(wěn)定基層中部，底基層在降雨期間的含水量也保持平衡狀態(tài)。

3.3 路面結(jié)構(gòu)雨停后排水分析

考慮排水是一個(gè)很緩慢的過程，為了更加清楚地認(rèn)識(shí)到水在路基路面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，時(shí)間跨度適度增長到一個(gè)月時(shí)間，整個(gè)排水過程中未考慮蒸發(fā)的影響，降雨停止后20小時(shí)的滲流速度云圖如圖4所示。

由圖4的滲流速度云圖可知，在新老路面交界的臺(tái)階處有明顯的積水現(xiàn)象，臺(tái)階處積水有沿右側(cè)水穩(wěn)基層頂面滲流的現(xiàn)象。左側(cè)老瀝青路面的滲水系數(shù)較高，而下部的二灰碎石和臺(tái)階右側(cè)水泥穩(wěn)定碎石的滲水系數(shù)較低(幾乎不滲水)，且右側(cè)水泥穩(wěn)定碎石基層高出左側(cè)二灰碎石頂面15.5cm，沿路面縱向形成了“水槽”，阻礙了雨水延路面橫向的有效滲流，因此，在降雨停止后的臺(tái)階處出現(xiàn)了雨水積滯的現(xiàn)象。

在雨停時(shí)上面層已處于飽和狀態(tài)，含水量為8.00%。排水過程中上面層路表邊界無降雨補(bǔ)給，上面層雨水在重力作用下繼續(xù)往下滲，處于排水狀態(tài)。排水1h含水量降低到7.69%，面層由飽和狀態(tài)進(jìn)入非飽和狀態(tài)，排水開始受基質(zhì)吸力影響。在雨停后的第一周排水速率很快，含水量從8.00%降低到6.78%，在第四天時(shí)出現(xiàn)一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，排水速率開始減緩，這是因?yàn)閯傞_始時(shí)瀝青混凝土飽和度很高，基質(zhì)吸力很小，水可以自由排出。隨著排水的進(jìn)行，非飽和瀝青混凝土飽和度越來越低，到第四天時(shí)已接近進(jìn)水閥值，使排水變得越來越困難。到一個(gè)月時(shí)含水量降低到6.65%，已非常接近還未降雨時(shí)的含水量，排水已變得非常困難。分析結(jié)束時(shí)排水還未停止，基質(zhì)吸力還在增加，當(dāng)基質(zhì)吸力達(dá)到進(jìn)水閥值時(shí)便不再排水。

中面層排水規(guī)律與上面層基本一致，在雨停時(shí)中面層已達(dá)到飽和狀態(tài)，雨停一個(gè)小時(shí)含水量只減少了0.14%，這是由于雨停初期上面層中還有較多的水往下滲透不斷補(bǔ)給中面層。此后中面層一直處于非飽和排水階段，從第四天開始變緩，到第一周排除了降雨進(jìn)入中面層85.40%的水，到分析結(jié)束時(shí)含水量降低到6.67%，已基本達(dá)到初始狀態(tài)的含水量。

在雨停時(shí)下面層含水量還未達(dá)到飽和狀態(tài)，隨著中上面層往下排水，下面層含水量還在不斷增加，在雨停后的一個(gè)小時(shí)下面層含水量才達(dá)到飽和狀態(tài)。之后開始排水，在第四天基質(zhì)吸力達(dá)到進(jìn)水閥值，排掉了進(jìn)入下面層76.64%的水。分析結(jié)束時(shí)含水量降低到6.70%，排除了降雨進(jìn)入下面層94.89%的水。

對比老瀝青路面AC-16下面層和加鋪路面SUP-25下面層含水量變化曲線，發(fā)現(xiàn)降雨停止后初期，臺(tái)階處瀝青下面層排水速度與加鋪路面下面層基本相同，隨后老瀝青路面下面層排水速度下降。加鋪段SUP-25下面層在降雨后一周內(nèi)排掉了86%的降水，之后排水速度顯著降低。老路面下面層在一周內(nèi)含水量降低了83%，之后與加鋪路面下面層保持相同的速度緩慢排水。說明臺(tái)階處瀝青混凝土排水速度較低，且排水時(shí)間較長，在計(jì)算期末即一個(gè)月之后仍然沒有排除殘留在下面層的所有降水。

由于在降雨停止時(shí)只有少部分雨水進(jìn)入基層，在面層排水過程同時(shí)雨水不斷下滲，水泥穩(wěn)定碎石上基層含水量在面層排水1天時(shí)出現(xiàn)一個(gè)峰值，由初始狀態(tài)的9.28%增加到13.68%，飽和度增加了76.92%。同時(shí)，老瀝青路面在降雨過程中出現(xiàn)雨水滯留現(xiàn)象，在降雨停止之后，雨水沿著加鋪的半剛性基層向路面邊坡處滲流，因此路面上基層含水量是一個(gè)先增加后降低的過程。但半剛性基層一直未出現(xiàn)飽和狀態(tài)，之后開始排水。在面層排水進(jìn)行到第6天，水泥穩(wěn)定碎石下基層中部含水量達(dá)到峰值10.38%，之后開始減少，由于面層在后半個(gè)月排水速率變得很低，所以下滲到基層的水量已不能補(bǔ)給基層往下滲的水量，導(dǎo)致基層還未達(dá)到飽和狀態(tài)便開始了排水過程，到分析結(jié)束時(shí)含水量為9.66%。

圖4 降雨停止后20h滲流速度云圖

4 結(jié)論

(1)在降雨條件下，面層和上基層的體積含水量不斷增大，上、中面層在雨停時(shí)都達(dá)到飽和。降雨停止后，滲入到結(jié)構(gòu)層中的雨水通過路面邊緣排出，上、中面層體積含水量迅速減小。在雨停后很短一段時(shí)間里由于上、中面層的雨水繼續(xù)下滲，下面層和上基層體積含水量繼續(xù)增大，但隨后也逐漸減小。

(2)降雨停止后由于上中面層雨水下滲，原瀝青路面下面層與加鋪路面的水穩(wěn)基層臺(tái)階處出現(xiàn)雨水積滯現(xiàn)象，臺(tái)階處孔隙水壓力和滲流速度較大，臺(tái)階積水導(dǎo)致下面層含水量增大。

(3)排水階段前7天，下面層水頭高度高于加鋪路面基層頂面，積水沿基層表面和SUP-25下面層排出路面的速度較快，下面層水頭高度低于加鋪路面基層后，排水速度明顯降低。臺(tái)階處雨水向右側(cè)半剛性基層滲流導(dǎo)致右側(cè)半剛性上基層含水量增大，上基層含水量先達(dá)到峰值然后開始排水，總體上延長了上基層的排水時(shí)間。