惠興智

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

目前，國內(nèi)外關(guān)于路面結(jié)構(gòu)排水系統(tǒng)展開大量研究，如苗兆靜[1]提出了公路瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，研究證明了排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求；游金梅等[2]設(shè)計(jì)了公路排水系統(tǒng)并模擬了降雨情況下公路面層、基層結(jié)構(gòu)內(nèi)部含水量，通過有限元計(jì)算得出路面下層結(jié)構(gòu)自由水是加速路面損壞重要原因；劉毓氚等[3]證明了新型排水系統(tǒng)在基層處于非飽和狀態(tài)開始排水，其排出的水量是傳統(tǒng)方式排水量的1.25倍，可減少積蓄于基層的水量，提高基層承載性能；刁鈺[4]、姬兵亮[5]分別對(duì)隧道、橋面排水的影響因素進(jìn)行了總結(jié)，從而采取有效的排水設(shè)計(jì)方案，確保公路工程的質(zhì)量。由于地區(qū)土質(zhì)條件的差異以及施工條件限制的原因，以往研究大多停留在對(duì)傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)方面，基于此，本文提出了一種新型排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過數(shù)值模擬的方法與傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的排水性能進(jìn)行了比較，并針對(duì)新型排水系統(tǒng)的影響因素展開了對(duì)比分析，可為類似市政道路新型排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究提供有益參考。

1 工程概況

以某城市主干道為例，該道路設(shè)計(jì)速度采用60 km/h，路面寬度為25.5 m，車道設(shè)計(jì)為雙向四車道，車道寬3.5 m，左右路肩寬度均為1.5 m，中央隔離帶寬1.5 m，道路兩側(cè)設(shè)3.5 m人行通道。路面鋪裝采用瀝青混凝土，厚度為14 cm，基層采用水泥穩(wěn)定碎石，厚度為20 cm，路基填土厚度為3.5 m。路面結(jié)構(gòu)排水方式采用新型排水系統(tǒng)取代舊排水系統(tǒng)的底基層，設(shè)置在基層和路基之間，該排水系統(tǒng)采用土工織物包裹土工網(wǎng)形式排水，主要由水力傳導(dǎo)層、毛細(xì)防滲層和隔離層三部分構(gòu)成，水力傳導(dǎo)層和隔離層均采用非編織土工織物組成，毛細(xì)防滲層采用土工網(wǎng)組成，該路基斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 路基斷面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（單位：mm）

2 建立模型

以原路面結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)尺寸以及主要材料為依據(jù)，通過運(yùn)用有限元軟件GEOSTUDIO建立路面結(jié)構(gòu)排水系統(tǒng)數(shù)值模型，模型中網(wǎng)格劃分均采用尺寸為20 mm×20 mm的四邊形單元，共包含582個(gè)單元和741個(gè)節(jié)點(diǎn)，其有限元模型如圖2所示。

圖2 新型排水系統(tǒng)有限元模型

參考當(dāng)?shù)赝杲涤昵闆r，模擬分析過程中降雨強(qiáng)度設(shè)置為26 mm/hr，持續(xù)時(shí)間90 min。為保證分析結(jié)果的精準(zhǔn)性，在模型上部采用大小為降雨強(qiáng)度的流量邊界，兩側(cè)和底部均采用不透水邊界。模型中路基沿中心線嚴(yán)格對(duì)稱，且無介質(zhì)交換；初始地下水位超過地面以下3 m位置；降雨利用流量邊界進(jìn)行施加，且忽略蒸發(fā)作用的影響。模型中使用到的主要材料參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算模型主要材料參數(shù)

3 新舊排水系統(tǒng)基質(zhì)吸力對(duì)比分析

模擬分析主要包括新舊排水系統(tǒng)降雨和排水兩個(gè)階段，降雨階段持續(xù)時(shí)間為90 min，排水階段持續(xù)時(shí)間為360 min，針對(duì)路面結(jié)構(gòu)新舊排水系統(tǒng)內(nèi)部水分子滲流情況展開對(duì)比研究，通過對(duì)比新舊排水系統(tǒng)的基質(zhì)吸力，綜合分析了新舊排水系統(tǒng)的排水性能差異。

3.1 基層基質(zhì)吸力分析

運(yùn)用數(shù)值分析軟件模擬周期450 min內(nèi)新舊排水系統(tǒng)內(nèi)部水分子滲流情況，并針對(duì)路面結(jié)構(gòu)中基層基質(zhì)吸力變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 基層基質(zhì)吸力變化曲線

根據(jù)圖3可知，整個(gè)滲流過程中新型排水系統(tǒng)的基層吸力均大于舊排水系統(tǒng)。降雨階段隨著水分的滲入，新舊排水系統(tǒng)基層基質(zhì)吸力均不斷減小，其中舊排水系統(tǒng)在降雨18 min時(shí)基層水分達(dá)到飽和狀態(tài)，基質(zhì)吸力下降為0，而新型排水系統(tǒng)基層吸力雖有所下降，但降雨階段均未達(dá)到飽和狀態(tài)，最小基層吸力仍有18 kPa。在降雨停止后，隨著水分的排出，新舊排水系統(tǒng)的基層吸力逐漸有所回升，其中舊排水系統(tǒng)基層吸力在100 min至150 min時(shí)間內(nèi)回升效果要優(yōu)于新型排水系統(tǒng)，但超過150 min后舊排水系統(tǒng)基質(zhì)吸力回升效果要明顯低于新型排水系統(tǒng)。綜上所述可知采用新型排水系統(tǒng)不僅可以有效保持基層在降雨過程中的基質(zhì)吸力，更能在降雨停止后有效回升基層基質(zhì)吸力，從而保持道路更好的排水效果。

3.2 路基基質(zhì)吸力分析

運(yùn)用數(shù)值分析軟件模擬周期450 min內(nèi)新舊排水系統(tǒng)內(nèi)部水分子滲流情況，并針對(duì)路面結(jié)構(gòu)中路基基質(zhì)吸力變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 路基基質(zhì)吸力變化曲線

根據(jù)圖4可知，在降雨階段隨著水分的滲入，新型排水系統(tǒng)路基的基質(zhì)吸力基本保持不變，而舊排水系統(tǒng)路基的基質(zhì)吸力呈較大的減小趨勢(shì)，且在降雨70 min左右路基水分達(dá)到飽和狀態(tài)，基質(zhì)吸力下降為零。降雨停止后，新型排水系統(tǒng)路基的基質(zhì)吸力出現(xiàn)小幅度的下降，隨后開始慢慢回升，但整個(gè)水分滲流過程新型排水系統(tǒng)路基的基質(zhì)吸力值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于舊排水系統(tǒng)。綜合新舊排水系統(tǒng)路基基質(zhì)吸力的變化情況，路面結(jié)構(gòu)采用新型排水系統(tǒng)的排水效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于舊排水系統(tǒng)。同時(shí)，新型排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)厚度要遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的厚度，對(duì)路面結(jié)構(gòu)的受力及承載力影響更小，可保證路基同時(shí)具有優(yōu)良的排水性能和安全性。

4 新型排水系統(tǒng)影響因素分析

路面結(jié)構(gòu)排水設(shè)計(jì)中新型排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)是影響路面排水性能的重要因素，合理的參數(shù)設(shè)計(jì)可以有效提升路面結(jié)構(gòu)的排水效果，以起到維護(hù)道路安全穩(wěn)定和延長(zhǎng)使用壽命的作用，本文分別從不同布置方式、厚度以及坡度對(duì)新型排水系統(tǒng)排水性能的影響展開了研究。

4.1 布置方式的影響

研究針對(duì)新型排水系統(tǒng)以下3種布置方式的路面結(jié)構(gòu)排水效果展開對(duì)比分析，方式一：在基層與路基中間取代碎石層布置一道；方式二：在底基層與路基中間布置一道；方式三：在面層與基層中間和路基與基層中間各布置一道，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同布置方式下路面結(jié)構(gòu)孔隙水壓力及含水率分布曲線

根據(jù)圖5可知，新型排水系統(tǒng)采用布置方式二和方式三的路面結(jié)構(gòu)面層孔隙水壓力大致相似，均要遠(yuǎn)小于布置方式一；基層中布置方式一的孔隙水壓力最大，其次是方式三，方式二的孔隙水壓力最小；3種布置方式的路基土孔隙水壓力基本保持一致。路面結(jié)構(gòu)面層中布置方式二的含水率最大，其次是方式一，布置方式三的面層含水率最小；基層中方式一和三的含水率相差不大，均要大于方式二的含水率；路基土的含水率在不同布置方式下相差不大，且體積含水率均較小。綜上所述，新型排水系統(tǒng)3種布置方式對(duì)路基土的排水效果影響不大，其中采用布置方式一的排水效果相對(duì)較差，采用布置方式二有利于提升基層的排水效果，采用布置方式三有利于控制面層的含水率。

4.2 厚度的影響

為研究新型排水系統(tǒng)厚度對(duì)路面結(jié)構(gòu)排水性能的影響，分別模擬厚度為30 mm、50 mm、70 mm及90 mm的新型排水系統(tǒng)，并針對(duì)路面結(jié)構(gòu)的孔隙水壓力和體積含水率展開對(duì)比分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同厚度影響下路面結(jié)構(gòu)孔隙水壓力及含水率分布曲線

根據(jù)圖6可知，當(dāng)新型排水系統(tǒng)厚度由30 mm增至90 mm時(shí)，基層的孔隙水壓力呈不斷減小趨勢(shì)，路基土的孔隙水壓力無明顯變化，說明新型排水系統(tǒng)厚度的變化對(duì)基層水壓力影響較大，而對(duì)路基土的水壓力無太大影響。新型排水系統(tǒng)厚度由30 mm增至90 mm時(shí)，基層的體積含水率同樣呈不斷減小趨勢(shì)，路基土的體積含水率無明顯變化，說明新型排水系統(tǒng)厚度的變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)基層含水率影響較大，對(duì)路基土的含水率影響非常小。綜上所述，適當(dāng)增加新型排水系統(tǒng)厚度可以有效控制基層的水壓力和含水率，從而提升路面結(jié)構(gòu)的排水效果，但新型排水系統(tǒng)厚度的增大對(duì)于控制路基的水壓力和含水率效果不大。

4.3 坡度的影響

運(yùn)用有限元分析軟件分別模擬坡度為2%、4%、6%及8%的新型排水系統(tǒng)，并針對(duì)路面結(jié)構(gòu)的孔隙水壓力和體積含水率展開對(duì)比分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同坡道影響下路面結(jié)構(gòu)孔隙水壓力及含水率分布曲線

根據(jù)圖7可知，隨著新型排水系統(tǒng)坡度由2%增至8%時(shí)，基層的孔隙水壓力呈不斷減小趨勢(shì)，但路基土的孔隙水壓力無明顯變化，說明新型排水系統(tǒng)坡度的變化對(duì)基層水壓力影響較大，而對(duì)路基土的水壓力無太大影響。新型排水系統(tǒng)坡度由2%增至8%時(shí)，基層的體積含水率同樣呈不斷減小趨勢(shì)，路基土的體積含水率無明顯變化，說明新型排水系統(tǒng)坡度的變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)基層含水率影響較大，對(duì)路基土的含水率影響非常小。綜上所述，新型排水系統(tǒng)坡度的增大對(duì)路基的水壓力和含水率基本無影響，適當(dāng)增加新型排水系統(tǒng)坡度可以有效控制基層的水壓力和含水率，從而提升路面結(jié)構(gòu)的排水效果。

5 結(jié)論

本文以實(shí)際工程為依托，通過采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)比研究了新舊排水系統(tǒng)的排水性能，并針對(duì)影響新型排水系統(tǒng)排水性能的不同設(shè)計(jì)參數(shù)展開了分析，得到以下主要結(jié)論：新型排水系統(tǒng)不僅可以有效保持基層和路基在降雨過程中的基質(zhì)吸力，更能在降雨停止后有效回升基質(zhì)吸力，從而保持路面結(jié)構(gòu)具有良好的排水效果。新型排水系統(tǒng)3種布置方式對(duì)路基土的排水效果影響不大，布置方式二可有效提升基層的排水效果，布置方式三可有效提升控制面層的含水率。新型排水系統(tǒng)厚度和坡度的變化對(duì)路基的排水效果基本無影響，適當(dāng)增加新型排水系統(tǒng)厚度和坡度可以有效控制基層的水壓力和含水率，從而提升路面結(jié)構(gòu)的排水效果。