李會強

招商局公路網(wǎng)絡(luò)科技控股股份有限公司京津塘高速分公司

摘 要：鑒于水對路面結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性的影響，以某高速公路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計為例，研究了路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)設(shè)計，通過計算設(shè)置了路面內(nèi)部排水系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，然后探討了透水性水泥穩(wěn)定碎石基層材料組成設(shè)計，結(jié)合試驗路段分析了其施工控制要點，以促進(jìn)多雨地區(qū)公路路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)的合理設(shè)計。

關(guān)鍵詞：路面結(jié)構(gòu);排水系統(tǒng);透水基層;

作者簡介：李會強（1967—），男，貴州遵義人，高級工程師，研究方向為道路橋梁工程。;

0 引言

路基路面排水系統(tǒng)的主要功能和目的是將地表水、地下水等排出公路工程影響范圍外，確保路基路面干燥、穩(wěn)定，將水對結(jié)構(gòu)的影響控制在可接受的范圍內(nèi)。排水系統(tǒng)設(shè)計重點是引導(dǎo)路基附近的地表水排泄，并盡可能控制結(jié)構(gòu)外地表水的沖刷與侵蝕作用，同時通過采取合理措施控制地下水位，降低地下水對路基的侵蝕作用。由此可以看出，路基路面排水設(shè)計對于路基穩(wěn)定性及路面壽命都有著至關(guān)重要的影響。為了探究路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水設(shè)計要點，并檢驗其應(yīng)用效果，本文以我國某工程為例展開分析，并對其路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程實例概況

西南地區(qū)某高速公路項目全長45.82km，建設(shè)沿線水文地質(zhì)環(huán)境較為單一，地下水較為匱乏，主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，對混凝土材料有一定的侵蝕性。此外，該高速公路建設(shè)沿線存在分布較多沖溝的過濕路基段，受到農(nóng)田等積水的影響整體呈現(xiàn)出軟塑性。本項目排水系統(tǒng)試驗主要針對全線邊緣排水展開，并采用多孔隙水泥穩(wěn)定碎石方案設(shè)計基層排水系統(tǒng)。

2 內(nèi)部排水系統(tǒng)設(shè)計

在排水設(shè)計上采用多孔隙水泥穩(wěn)定碎石方案，基于不同路段挖填需求，本設(shè)計根據(jù)實際情況對內(nèi)部排水采用不同設(shè)計方法。

2.1 填方路段排水系統(tǒng)

對于部分路段，可在路基兩側(cè)及內(nèi)部分別布置排水設(shè)施，這主要由于水受重力作用會向外流到排水暗溝中，并借助排水管道進(jìn)一步排泄至邊溝。對于超高的公路外側(cè)位置，還應(yīng)額外設(shè)置縱向排水暗溝，引導(dǎo)橫向匯聚的水流沿路緣聚集至集水設(shè)備中，經(jīng)由集水井附帶的排水管道排出公路范圍之外。

2.2 挖方路段排水系統(tǒng)

在設(shè)置排水系統(tǒng)時應(yīng)當(dāng)充分考慮路基超高段的影響，一般其內(nèi)側(cè)排水可采取橫向、縱向相結(jié)合的排水溝設(shè)計，以引導(dǎo)水的順利排泄，同時防止邊溝水位過高而帶來的倒灌現(xiàn)象。基于工程條件及需求，制定挖方路段的排水設(shè)計方案：在排水系統(tǒng)外側(cè)分別設(shè)置排水溝及排水管，同時引導(dǎo)其沿橫向排水管流入邊溝。在排水管口位置可以加設(shè)一個逆止閥來防止溝中水倒流。對于挖方路段超高的外側(cè)位置，水可直接引導(dǎo)排入路緣處縱向排水暗溝，同時引導(dǎo)水沿橫向排水管進(jìn)一步流入路緣處的窨井。

2.3 縱向排水暗溝和排水管

排水系統(tǒng)的側(cè)邊位置安設(shè)縱向排水暗溝，并在暗溝內(nèi)埋設(shè)排水管，以達(dá)到匯聚、排泄水的目的。排水暗溝的位置一般選在路肩處，為了提升對水的引導(dǎo)作用，排水基層端部一般采用水泥或碎石鋪筑。

此外，排水管位置的確定往往直接決定排水系統(tǒng)的排水效率，一般需要略低于排水基層，以改善水分流的效果。對于填方位置，排水暗溝一般需要與基層持平，排水管底面可低于基層底面約20cm；對于挖方位置，考慮到水向挖方邊溝排泄，為了避免在強降水天氣下溝內(nèi)雨水排泄不及時，排水管的高度一般不宜過低，排水管底面一般可低于基層底面約10cm。

2.4 橫向出水管和通風(fēng)管

若填土高度不小于2m，則應(yīng)按照固定間隔布置急流槽，間隔距離以40m為宜，以保障中央分隔帶的橫向排水順暢。同時為了滿足基層排水需求，可沿縱向按照固定間隔布置橫向排水管與通風(fēng)管，間隔距離以40m為宜，且將其與排水溝之間形成連接，并借助急流槽將水引導(dǎo)并排出公路范圍之外。若涉及挖填交界處的排水設(shè)計，則還應(yīng)額外附加橫向排水管。

3 排水能力計算

3.1 排水基層材料的滲透能力

本項目的排水基層厚度定為18cm，假定施工過程中上層水泥侵入基層的深度為2cm，則可得到基層的有效深度為16cm，根據(jù)式（1）可計算得到材料的滲透系數(shù)最低限值：

本工程將排水基層材料的滲透系數(shù)定為1.411cm/s。按照材料滲透系數(shù)、空隙率之間的經(jīng)驗換算公式k=3×10-5V a3.72，可算出基層材料對應(yīng)的孔隙率為19.06%。

3.2 驗算自由水在排水基層的滲流時間

按照高速公路結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，可將水泥穩(wěn)定碎石大致分為兩個不同部分，其中上層主要起到排水作用，厚度以18cm為宜，下層厚度則以20cm為宜。根據(jù)我國現(xiàn)行排水相關(guān)規(guī)范要求，路面滲透水在結(jié)構(gòu)內(nèi)的滲流時間應(yīng)當(dāng)控制在2h以內(nèi)，且其滲流長度一般不宜大于45.6m?；诩俣〝?shù)據(jù)對本項目進(jìn)行驗算，計算得到水的滲流時間t:

代入數(shù)據(jù)，得：

最終計算得t=1.91h<2h，符合規(guī)范要求。

在上述計算過程中，縱坡取試驗段縱坡iz、橫向超高坡度ih、透水性水泥穩(wěn)定碎石有效孔隙率ne以及滲透系數(shù)Kb分別取1.10%,2%,15%,1218.75m/d。

3.3 邊緣排水溝管設(shè)計

橫向排水管的間距為40m，計算得到排水溝疏導(dǎo)的水滲入量為：

經(jīng)計算，可得：

假定管徑d=8cm，則排水管泄水量為：

經(jīng)計算，可得：

由上述計算分析過程可以發(fā)現(xiàn)排水管的排水能力符合我國現(xiàn)行規(guī)范要求。因此，在將排水管間距為40m時，8cm的排水管管徑滿足理論要求。

4 透水性水泥穩(wěn)定碎石基層材料的組成設(shè)計

4.1 原材料性質(zhì)

在實際工程中，排水基層和排水溝的填料一般采用多孔隙水泥穩(wěn)定碎石混合料，主要包括水泥、砂石和水等。在選擇水泥時大多采用普通硅酸鹽水泥，砂石則以堅硬的人造石屑和30mm軋碎石為主，此外還可基于當(dāng)?shù)貙嶋H條件選用堅硬耐久的花崗巖石料用于施工。

4.2 級配設(shè)計

根據(jù)分析，材料的滲透系數(shù)應(yīng)大于1500m/d,7d浸水無側(cè)限抗壓強度應(yīng)不小于3.5～5MPa，這兩個指標(biāo)可作為質(zhì)量控制的關(guān)鍵，完成水泥穩(wěn)定碎石混合料的設(shè)計。

基于施工現(xiàn)場石料調(diào)研結(jié)果，結(jié)合已有工程實踐經(jīng)驗，初步得到本項目的級配設(shè)計，如表1所示。

表1 水泥穩(wěn)定碎石混合料的初步級配 下載原圖

混合料內(nèi)的粗集料顆粒相互擠壓形成嵌固的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，但結(jié)構(gòu)內(nèi)各顆粒間彼此沒有相互干涉作用；細(xì)集料顆粒又未能全部將粗集料的空隙填補密實，因此形成了排列緊密的空間骨架，其不僅具有較高的空隙率，而且能將結(jié)構(gòu)整體強度維持在較高水平。

同時，水灰比W/C指標(biāo)需要按照集料級配設(shè)計結(jié)果具體確定，并基于工程實際情況通過室內(nèi)試驗進(jìn)行優(yōu)化。本項目集料選用花崗巖，采用室內(nèi)試驗進(jìn)行分析，以水灰比W/C=0.4的標(biāo)準(zhǔn)制作4組試件，并分別開展試驗，所得結(jié)果如表2所示。

表2 水泥穩(wěn)定碎石混合料的強度、孔隙率 下載原圖

就上述試驗結(jié)果而言，本項目所用級配設(shè)計能夠在保證混合料孔隙率達(dá)到15.93%～18.97%水平的同時，使得抗壓強度達(dá)到4.24～5.94MPa的范圍，因此能夠基本滿足預(yù)期的力學(xué)及物理要求。

5 試驗路施工與質(zhì)量控制

5.1 縱向邊緣排水暗溝

為了避免施工環(huán)境中的雜物掉入暗溝，縱向排水暗溝的施工一般安排在前置工序，在基層作業(yè)結(jié)束前完成。順著下基層邊緣位置開始作業(yè)，當(dāng)開挖結(jié)束后還應(yīng)及時安排專人進(jìn)行檢測。當(dāng)檢測結(jié)果滿足要求時，即可在溝底與外側(cè)鋪上一層土工布，預(yù)留足夠的回折寬度，并將集水管布置在溝內(nèi)中央位置。集水管的擺放應(yīng)保證一排且孔口朝上，使得管內(nèi)構(gòu)成弧形過水?dāng)嗝妗４送?，還應(yīng)用磚將管道固定，防止其發(fā)生滾落。

出水管、通風(fēng)管通過彎管與排水管相連，連接位置要用膠水黏接牢固，并用防水涂料封堵密實。當(dāng)管道鋪設(shè)并連接完成后，即可用原土回填并壓實處理。

5.2 孔隙水泥碎石排水基層

(1）下承面準(zhǔn)備

下承面應(yīng)當(dāng)確保干凈、平實、堅硬，且具有特定的路拱，沒有松散、軟弱層。

(2）拌和

混合料在拌制完成后應(yīng)當(dāng)及時測定其中水泥的用量，若測得結(jié)果與預(yù)期不符則應(yīng)當(dāng)立即停機檢查，調(diào)整至滿足要求方可開始后續(xù)施工。盡可能減少由于水泥用量過多導(dǎo)致的材料收縮性過大，以避免開裂。

(3）攤鋪

在試鋪之前首先需要按照1.2的松鋪系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行掛線，并借助自卸卡車來完成混合料的裝載與轉(zhuǎn)運，其運距一般以5km/20min為宜。攤鋪作業(yè)則選用了LTN1200型攤鋪機，將兩臺機械前后布置交錯作業(yè)，混合料在運抵現(xiàn)場經(jīng)檢測合格后即可送至進(jìn)料口，對于質(zhì)量不滿足要求的應(yīng)當(dāng)按廢料進(jìn)行處理。在試鋪作業(yè)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)原選定的松鋪系數(shù)較大，因此改為1.18進(jìn)行控制。

(4）碾壓

在攤鋪工序結(jié)束后即可開展碾壓，碾壓施工借助兩臺壓路機來進(jìn)行，其規(guī)格分別為8t雙鋼輪、14t單鋼輪。碾壓時首先操作8t雙鋼輪壓路機完成1遍靜壓，隨后再操作14t單鋼輪壓路機以振動碾壓的方式碾壓兩遍，最后再操作8t雙鋼輪壓路機進(jìn)行1遍靜壓。碾壓施工應(yīng)當(dāng)確保作業(yè)后表面沒有明顯輪印。為了保證施工能夠同時滿足壓實度和孔隙率的要求，應(yīng)當(dāng)以噸位、遍數(shù)及松鋪系數(shù)為重點展開質(zhì)量控制，同時還應(yīng)加強污染管理。

(5）養(yǎng)護(hù)

在碾壓完成并檢驗合格后即可進(jìn)入養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)。由于基層采用多孔材料進(jìn)行施工，排水性能較好，因此其空隙率一般較大。為了確保其發(fā)揮基本排水功能，在碾壓工序結(jié)束后應(yīng)當(dāng)明確養(yǎng)護(hù)的重要性，避免雜物、碎石等對表面的污染，降低其對正常排水的影響。此外，在養(yǎng)護(hù)工序期間需要采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，確保基層表面未被污染。

6 結(jié)語

本文以我國某工程為例，結(jié)合理論計算、實踐經(jīng)驗等，從材料與結(jié)構(gòu)兩個方面對路面內(nèi)部排水設(shè)計進(jìn)行了研究。同時，通過對配合比設(shè)計的計算分析，提出了基層設(shè)計的參數(shù)指導(dǎo)，并探討了強化質(zhì)量控制的主要對策。

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