劉 瑋

(山西省晉中路橋建設(shè)集團有限公司，山西 晉中 030600)

1 概述

為了迎合“海綿城市”的建設(shè)和發(fā)展潮流，在省內(nèi)最近幾年的市政道路建設(shè)實踐中，透水性瀝青面層的使用日益廣泛和普遍，所謂透水性瀝青路面就是選用孔隙比較高的瀝青混合料鋪筑，滿足瀝青路面層水分下滲的要求。為了在滿足承載能力的基礎(chǔ)上，最大程度提升滲透能力，瀝青路面面層、基層及底基層均使用透水性、孔隙比更高的筑路材料，保證路面正常服役過程中，路面水分能以最快速率下滲。市政透水性瀝青混凝土路面的各層均具備透水性，路面積水可以快速經(jīng)由面層及各基層直接下滲到地基內(nèi)，從而起到富集水分的目的，不但可以快速排盡城市道路積水，還能緩解城市“熱島效應(yīng)”，實現(xiàn)水資源的循環(huán)、高效利用。

但是，由于大量水分滲透到路面各結(jié)構(gòu)層內(nèi)，導(dǎo)致筑路材料長期處于飽水狀態(tài)，在靜水壓力、動水壓力及上部荷載的長期耦合作用下，導(dǎo)致面層、基層混合料顆粒之間的相互嵌鎖力下降，最終表現(xiàn)為道路承載能力下降、路面結(jié)構(gòu)整體性被削弱。結(jié)合省內(nèi)部分城市的交通量分布特點，透水瀝青混凝土市政道路主要被應(yīng)用在交通量較低的支線道路或者專用道路中。

2 省內(nèi)市政道路透水性瀝青路面結(jié)構(gòu)分析

2.1 省內(nèi)市政道路透水瀝青路面結(jié)構(gòu)方案

結(jié)合JTG D50—2017公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范中的相關(guān)內(nèi)容，在對透水性瀝青層結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，必須結(jié)合省內(nèi)施工地區(qū)的地質(zhì)、水文、氣候、交通量等相關(guān)因素，并結(jié)合現(xiàn)場試驗，制定最合理的透水瀝青層結(jié)構(gòu)形式，并精確計算各結(jié)構(gòu)層的厚度值。

針對透水瀝青路面設(shè)計問題，由于透水瀝青各層碎石粒徑級配連續(xù)性低，混合料孔隙比較大，瀝青各層的綜合承載能力較低，因此，在制定瀝青層方案時，必須優(yōu)先解決路面的透水效率問題，在保證透水效率的基礎(chǔ)上，保證透水瀝青的承載能力、穩(wěn)定性及耐久性相關(guān)指標(biāo)滿足實際要求。在設(shè)計透水瀝青結(jié)構(gòu)層時，瀝青各層并非是單純的結(jié)構(gòu)層標(biāo)量疊加，經(jīng)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)層設(shè)計必須體現(xiàn)在不同層的協(xié)調(diào)變形能力，最大程度發(fā)揮不同結(jié)構(gòu)層的性能優(yōu)勢。本工程項目結(jié)合省內(nèi)道路使用工況要求，設(shè)計了如下三個透水瀝青結(jié)構(gòu)層方案，透水瀝青道路寬度B=8 m，縱坡率值i1=1.5%，斷面橫向超高坡率值i2=2.5%。三種設(shè)計方案見圖1。

其中，設(shè)計方案一中，由上至下各層材料分別為：瀝青表面層、瀝青混凝土穩(wěn)定碎石面層、連續(xù)級配碎石基層、滲透性土工材料層、夯實地基層；設(shè)計方案二中，由上至下分別為：瀝青表面層、瀝青混凝土穩(wěn)定碎石面層、瀝青混凝土穩(wěn)定碎石基層、連續(xù)級配碎石基層、滲透性土工材料層、夯實地基層；設(shè)計方案三中，由上至下分別為：瀝青表面層、瀝青混凝土穩(wěn)定碎石面層、水泥混凝土穩(wěn)定碎石基層、連續(xù)級配碎石基層、滲透性土工材料層、夯實地基層。經(jīng)施工項目現(xiàn)場試驗分析可知，設(shè)計方案一的整體承載能力較差，在上部荷載作用下容易出現(xiàn)不均勻沉降病害，不滿足車輛等中、重交通量要求，該設(shè)計方案適用于市政步道、人行道、廣場、步行街等施工項目中。設(shè)計方案二的承載能力和變形剛度較方案一有了顯著提升，但承載能力尚不滿足市政公路通行要求，因此，被普遍應(yīng)用在小區(qū)專用道路、停車場等施工項目中。設(shè)計方案三屬于典型的半剛性基層體系，其承載能力和變形剛度均達到市政道路的設(shè)計要求，可以應(yīng)用在市政主干道的施工項目中。

2.2 市政道路透水瀝青層內(nèi)部排水結(jié)構(gòu)

透水瀝青層道路結(jié)構(gòu)體系可以保證滲透至瀝青層內(nèi)的水分最終順利滲透到地基中，及時補充地下水，實現(xiàn)水資源的循環(huán)、高效利用；但是，若地基土的吸水性較低時，將導(dǎo)致各基層中滲透的水分無法及時吸收，最終集聚在各基層中。結(jié)合項目現(xiàn)場調(diào)查情況，大部分的滲透水在路基中的流速較低，能夠視為是層流體，地基的滲透性指標(biāo)可知，借助達西定律能夠計算出透水瀝青層的排水時間，本項目的計算結(jié)果如表1所示。

表1 透水瀝青層結(jié)構(gòu)水分外排時間(0.1 m3)

分析表1可知，若瀝青路基土層的滲透系數(shù)指標(biāo)K≤10-5cm/s，對應(yīng)的瀝青層結(jié)構(gòu)所排出0.1 m3水分需要的時間為7 d；若K≤10-7cm/s時，對應(yīng)的排出0.1 m3水分需要的時間將近一年，在該情況下，瀝青路面結(jié)構(gòu)基本視為是密封的，能夠認(rèn)為是路面結(jié)構(gòu)體系被整體置于封閉式“水浴”內(nèi)，滲透到瀝青層的水分無法快速滲透到基底，長期滯留在路面各結(jié)構(gòu)層中，形成結(jié)構(gòu)層積水。一旦瀝青結(jié)構(gòu)層中積水無法順利滲透，將對瀝青各層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞和影響，由于自由水的長期浸泡和沖刷，導(dǎo)致瀝青混合料之間的相互嵌鎖能力下降，承載能力隨之被削弱，在上部車輛荷載的瞬時作用下，傳遞至各層的荷載將對積水產(chǎn)生一定的擠壓力，進而形成高壓水柱，瀝青混合料碎石在高壓水柱的沖刷下將引發(fā)瀝青路面“唧泥”，進而引發(fā)車轍、開裂等病害；此外，省內(nèi)冬季大部分地區(qū)進入冰凍期，若冰凍深度超過路面厚度值，將在高于地下水的位置出現(xiàn)嚴(yán)重的不均勻凍脹病害，導(dǎo)致瀝青各層出現(xiàn)脫空和錯臺病害。

綜上，為了保證透水性瀝青層結(jié)構(gòu)的長期、可持續(xù)服役能力，必須在路面內(nèi)部布設(shè)相應(yīng)的排水體系，能夠及時將各層積水引流至路面結(jié)構(gòu)以外，有利于改善瀝青路面的承載能力，延長服役時限。

3 外荷載作用下的透水性瀝青層承載能力影響因素

本文以省內(nèi)某市市政高速連接線施工項目為例，連接線項目路基路面結(jié)構(gòu)擬使用透水性瀝青層結(jié)構(gòu)體系，為了滿足區(qū)域交通量設(shè)計要求，保證市政道路的通行能力，路基路面結(jié)構(gòu)選用2.1中的方案三，著重對設(shè)計方案三的承載能力影響因素進行全面分析。

為了遴選出最佳的設(shè)計方案，分別調(diào)整透水瀝青基層的組合形式、底基層級配碎石彈性模量及地基彈性模量等數(shù)值，并計算相應(yīng)的受力計算。表2為備選設(shè)計方案。

表2 備選設(shè)計方案

圖2為不同影響因素下的設(shè)計方案三承載能力變化情況。

經(jīng)對比，在上部車輛荷載作用下，設(shè)計方案三相較于其他設(shè)計方案的形變量小，在正常承載條件下，設(shè)計方案三的路面最大彎沉值為0.481 mm，通過提升地基土彈性模量值能夠降低路面的剛性變形。相較于復(fù)合基層，通過提高水穩(wěn)碎石基層厚度值能夠控制彎沉值，但設(shè)計方案三中的水穩(wěn)碎石基層層底的拉應(yīng)力值增加，并和級配碎石基層的彈性模量值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但總體上低于瀝青碎石基層底部的拉應(yīng)力降低幅值。

4 結(jié)語

通過工程實踐研究表明，透水瀝青層路面結(jié)構(gòu)體系能夠很好地解決城市市政道路的積水問題，實現(xiàn)水資源的高效循環(huán)利用；透水性瀝青路面設(shè)計有別于一般的瀝青路面結(jié)構(gòu)，必須在滿足透水性要求的基礎(chǔ)上，確保市政道路的承載能力、剛度等滿足設(shè)計要求；在后續(xù)的工程實踐研究中，還應(yīng)繼續(xù)深化對透水性瀝青路面設(shè)計的精準(zhǔn)性，及早建立統(tǒng)一的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。