高架橋梁排水瀝青路面的設計應用與優(yōu)化設想

童毅

（上海市城市建設設計研究總院，上海市 200125）

高架橋梁排水瀝青路面的設計應用與優(yōu)化設想

童毅

（上海市城市建設設計研究總院，上海市 200125）

總結了美國、歐洲、日本及中國的設計方法，根據(jù)國際研究方法及國內(nèi)設計規(guī)范，構建了具體配合比設計流程及方法，提出了瀝青、粗集料、細集料及礦粉的具體技術指標。依托現(xiàn)場實際高架橋梁工程，對排水性瀝青路面的降噪性能、抗滑性能及排水性能進行了評價，結果表明采用本文設計方法設計的OGFC瀝青路面性能較好，并具有良好的持久性。結合高架橋梁的特點，針對路面排水不暢及路側積水問題，從排水層厚度及排水設施等兩個方面進行了優(yōu)化，并提出了具體優(yōu)化設計措施。

高架橋梁；多孔隙；排水路面；設計運用；效果評價；設計優(yōu)化

0　引言

多空隙排水降噪瀝青路面（簡稱排水瀝青路面），英文“open-graded friction course”（OGFC），具有排水降噪的功能，其結構特征為空隙率高，一般在15%～25%之間。

一般而言，多空隙排水降噪瀝青路面體系中中面層不透水，水分從道路兩側排入雨水收集系統(tǒng)，其特征分為“透”、“堵”、“排”三個功能［1-3］。其中：“透”指將雨水或相關區(qū)域的徑流下滲到排水面層中；“堵”指中面層不透水，避免中、下面層的瀝青混合料發(fā)生水損壞；“排”指將排水面層中雨水通過兩側排水管、排水平石或自然側面匯集到雨水收集系統(tǒng)中。另外，該瀝青路面還有一個顯著的特點就是降低噪聲。其發(fā)達的空隙起到了多孔吸聲的效果，抑制輪胎下空氣被壓縮而產(chǎn)生“聲爆”現(xiàn)象。

為進一步開展設計研究工作，本文選取了上海典型工程為依托，通過資料調(diào)研、理論分析、現(xiàn)場測試、設計研究及跟蹤回返等手段，對多孔隙排水瀝青路面的使用及效果進行了深入研究，并對工程運營中暴露的問題提出優(yōu)化設想。

1　設計方法及運用

1.1依托工程及設計方案

項目依托工程選取了上海市某高架路，原因如下：

（1）該高架路工程定位為城市快速路，設計車速80 km/h，因此OGFC具備較好的適用性，能較好地解決高速行車作用下引起的雨水揚濺問題，并能有效提高路面雨天摩擦力，以進一步提高行車安全性能；

（2）該高架路工程以客運為主，兼有輕型貨運交通，使用OGFC具備良好的適應性，因其能有效減少因貨運車輛較多情況下的孔隙污染堵塞，進而避免大孔隙排水性瀝青路面的孔隙衰變過快問題。

該高架工程具體路面結構設計如下：

4 cmOGFC-13

0.5cm稀漿封層

5 cmAC-20

0.5cm封層

1.2國內(nèi)外設計方法綜述［4，5］

美國FHWA法采用了近似瀝青比（ABR）的方法，前期主要依靠經(jīng)驗進行混合料設計。1999年Kandhal及Mallick推薦出一套新的設計方法，具體設計流程有：選擇原材料（包括礦料、瀝青及纖維添加劑等）；以骨架間隙率（VCADCR）及規(guī)定瀝青用量為控制指標，用Superpave旋轉壓實成型測定集料間隙率，從而選擇設計級配；確定最佳瀝青用量等。因此可以看出，美國方法主要用于抗滑性能，級配偏細，瀝青用量偏高。

日本在混合料配合比方面由試算法確定，并以析漏試驗為標準確定瀝青初始用量，并以馬歇爾、析漏、肯塔堡飛散及密度試驗確定最佳瀝青用量，最后用透水、水穩(wěn)性、車轍試驗對其性能進行驗證。日本的設計方法重在考慮排水功能，因而級配一般偏大。

西班牙設計方法在確定瀝青用量方面，從兩個方面來進行保證：第一個方面是不出現(xiàn)顆粒松散來確定最小瀝青用量；第二個方面是用不出現(xiàn)瀝青流淌及具有良好的排水性能為目標進行最大瀝青用量設計。

目前，我國有《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40—2004）及各地方標準，主要參照日本設計方法進行混合料設計。

1.3本文設計方法總體方案

鑒于國內(nèi)重載現(xiàn)象較多，排水瀝青路面目前運用方面偏于謹慎，本次依托工程為客運專用的城市快速路，不存在重載問題。

1.3.1配合比設計

根據(jù)多年設計及運用經(jīng)驗，針對多孔隙排水降噪瀝青路面的特點及使用效果，具體配合比設計方法及流程如下：

（1）礦料配合比的確定：多空隙瀝青混合料通常采用2.36～4.75 mm之間為斷級配的礦料，粗集料所占比例高，大于4.75 mm顆粒含量不低于75%。以2.36 mm篩孔通過率在12%、15%、18%，礦粉用量為5%左右試配三組級配，按照暫定瀝青用量拌制混合料，制作馬歇爾試件，以確定滿足設計空隙率的礦料級配。

（2）初始瀝青用量確定：國外的研究結果和實際經(jīng)驗表明，排水性瀝青路面空隙率20%時，集料表面的瀝青膜厚度約為14 μm。因此，上述暫定的三個合成級配，其暫定瀝青用量可根據(jù)美國加州經(jīng)驗公式計算。

（3）最小瀝青用量確定：按《瀝青混合料肯塔堡飛散試驗》（T0733-2000）進行肯塔堡飛散試驗，根據(jù)飛散損失率隨瀝青用量的變化規(guī)律繪制曲線，選擇最小瀝青用量。

（4）最大瀝青用量確定：通過瀝青的流淌試驗，根據(jù)流淌率隨瀝青用量的變化規(guī)律繪制曲線，以此確定最大瀝青用量。

（5）最佳瀝青用量確定：最佳瀝青用量原則上為通過流淌試驗求得的最大瀝青用量，以確保集料表面的瀝青膜具有足夠的厚度，保證混合料的耐長期老化性。不過最佳瀝青用量還要根據(jù)混合料拌和過程中的實際情況，在流淌試驗求得的最大瀝青用量和飛散試驗中求得的最小瀝青用量之間合理設定。

（6）設計瀝青用量確定：以既定的最佳瀝青用量拌制多空隙瀝青混合料，進行密度試驗、馬歇爾穩(wěn)定度試驗、透水試驗以及車轍試驗。

1.3.2原材料性能要求

原材料的選擇和質(zhì)量的控制是整個瀝青混合料質(zhì)量控制的源頭，其各項指標的試驗及計算應按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的方法執(zhí)行。原材料的技術性能及要求如下：

（1）瀝青：多空隙排水降噪瀝青混合料中采用的瀝青要防止集料飛散，并使其具有耐候性、耐水性、耐流動性。根據(jù)適用場所，應選用60℃黏度、韌性、黏韌性都改良過的高黏度改性瀝青。

（2）粗、細集料：多空隙排水降噪瀝青混合料的粗集料，必須均質(zhì)、干凈、堅硬，具有耐久性，嚴格控制有害物質(zhì)。

（3）礦粉：填料必須采用石灰石等堿性巖石磨細的礦粉。礦粉必須保持干燥、清潔（回收的粉塵全部廢棄），能從石粉倉中自由流出。

1.3.3排水性能設計

高架橋梁在采用多孔隙排水降噪瀝青路面后，需要排除的水主要為自然降水造成的路面徑流水，以及自然降水滲透進入排水瀝青層間孔隙內(nèi)流動的層間水。排水設施需要為層間水就近排出提供出路，如采用以往常規(guī)設施的點式排水口，則因為層間水路徑過長，接觸面積過小而導致排水不暢，因此需要設置連續(xù)型的排水設施來強化排水性能。圖1為排水設計方案圖。

圖1　排水設計方案圖

因該工程建設周期較為緊迫，故排水設施參照了浦西中環(huán)線排水路面試驗段的排水做法：在橋面最外側、防撞墻根部30 cm范圍內(nèi)，預先鋪設具備一定透水能力的材料（浦西試驗段采用的為級配碎石，本工程為復合材料絲棒），然后鋪筑全厚度排水瀝青層，以增加排水孔隙接觸面積。但因為高架橋梁排水設施受到橋梁結構的限制，僅能在10 cm的瀝青層厚度內(nèi)布置，因此排水能力有限。

2　應用效果評價

2.1降噪性能

工程竣工后，對排水性路面及相同條件的普通路面進行了噪聲測試［6］，結果如圖2所示。實踐表明在相同車速情況下，使用排水降噪路面后產(chǎn)生的路面噪聲平均比普通路面低5～7 dB，該效果在高速情況下尤為突出。

圖2　路面噪聲測試

2.2抗滑性能

在工程建成后每隔3～4個月對排水性瀝青路面和普通路面進行一次構造深度檢測，共檢測5次。經(jīng)過對120多組構造深度檢測數(shù)據(jù)分析歸納后，得到現(xiàn)場檢測結果（見表1）。

表1　現(xiàn)場構造深度和通車時間關系

通過對現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進行線性回歸，得到排水性瀝青路面和AC路面的構造深度TD（mm）分別與通車時間t（月）之間的關系，經(jīng)計算可知：

（1）排水瀝青路面的構造深度明顯大于AC路面。剛建成時，排水性瀝青路面的構造深度是AC路面的4.4倍，通車1年后增加到5.2倍。

（2）排水性瀝青路面和AC路面構造深度隨時間的衰減速率分別為0.045和0.016（mm/月）。按照該速率，排水性瀝青路面在使用兩年左右，其構造深度會降至1.2 mm。如果不采取養(yǎng)護措施，根據(jù)本文中得到的抗滑性能衰變規(guī)律，排水性瀝青路面空隙將在通車5～6年堵塞。

2.3排水性能

圖3為2009年10月至2013年4月期間對依托工程路面滲水系數(shù)的觀測數(shù)據(jù)。剛加鋪時，其滲水系數(shù)較高，達到1 450 mL/15 s，遠高于規(guī)范要求值，且在未采取養(yǎng)護的條件下，交通運行4年其滲水系數(shù)還高于規(guī)范要求的900 mL/15 s，比設計預期值理想。

圖3　滲水系數(shù)跟蹤檢測

3　優(yōu)化方案設想

經(jīng)實踐檢驗路面排水性能達到預期目標，但同時也發(fā)現(xiàn)，由于路面較寬，排水路徑過長，在運營時余量較大情況下存在排水不暢，并引起最外側車道積水的問題。以下主要從排水層厚度設計及排水設施布置兩個方面來進行優(yōu)化設計。

3.1排水層厚度優(yōu)化設計

根據(jù)上海降雨情況，得到以下降雨頻率累計圖。如按照80%的降雨概率保障，相應降雨強度取值為0.43英寸/h（1英寸≈2.54 cm），如圖4所示。

圖4　上海地區(qū)降雨頻率圖

按圖5（橫坡按2.0%）計算，應加鋪優(yōu)化設計厚度t計算結果為44.85 mm，計算見表2。

圖5　OGFC排水所需加鋪厚度設計流程圖

表2　加鋪優(yōu)化設計厚度流程表

因此，結合高架橋面鋪裝的常用設計厚度，將OGFC厚度定為4.5 cm，可滿足上海地區(qū)80%雨天下路面不出現(xiàn)水膜。如按常規(guī)面層厚度4 cm（也是清洗設備的有效清洗深度）來設置，也可保證上海地區(qū)約70%雨天下路面不出現(xiàn)水膜。

3.2排水設施優(yōu)化設計

針對依托工程排水路面排水不暢問題，究其原因主要是排水路面過寬、雨量較大時路面孔隙內(nèi)流速較慢，排水不暢；連續(xù)型排水設施采用滲透性材料而非中空的排水管溝導致排水能力下降，引發(fā)層間水來不及排除、堆積在最外側車道引起路表積水。因此對于此類大寬度路面，需要通過兩方面措施來解決：一是盡量提高路側排水設施的排水效率，改原有實體滲透排水形式為中空管道排水；二是在較寬的路面內(nèi)部設置縱橫向透水暗管，縮短水在路面孔隙內(nèi)部路徑，提高排水速度。

標準段路側排水可采用30 cm側向復合材料蓋板溝形式，來保證排水功能的發(fā)揮。側向蓋板溝方案的具體計算過程如下：

按標準段寬度為15.25 m，按照橋梁每跨35 m設一雨水集水口考慮，則縱向兩個雨水口之間需排除的層間水流量為：

Q=I×B×L=0.47×15.25×35/3 600=0.07 L/s路側蓋板溝，其流量計算為：

取排水溝寬度0.3 m、高度為0.1 m時，則Q=7.15 L/s，可滿足層間排水需求。

圖6為標準段側向排水蓋板溝方案圖。

圖6　標準段側向排水蓋板溝方案圖

高架加寬路段由于寬度較寬，半幅寬度約為30 m，幾乎是標準段的2倍距離，考慮到OGFC內(nèi)部空隙排水速度較慢問題，可能造成靠近路中雨水積聚來不及排出而產(chǎn)生路表水膜、車尾水霧、路面反光的現(xiàn)象，加寬段建議設置為30 cm OGFC側向蓋板溝方案+車道中縱向排水管+橫向聯(lián)通排水管，形成網(wǎng)格式排水系統(tǒng)。圖7為加寬段排水方案圖。

圖7　加寬段排水方案圖

4　結　語

（1）總結了美國、歐洲、日本及中國的設計方法。研究結果表明，美國方法主要用于抗滑性能，日本的設計方法重在考慮排水功能。根據(jù)日本及國內(nèi)設計規(guī)范，作者構建了具體配合比設計流程及方法，并提出了瀝青、粗集料、細集料及礦粉的技術性能要求及指標。

（2）依托現(xiàn)場實際高架橋梁工程，對排水性瀝青路面的降噪性能、抗滑性能及排水性能進行了評價。結果表明，采用本文設計方法設計的OGFC瀝青路面性能較好，并具有良好的持久性。

（3）針對高架橋梁排水設施受限、路面排水不暢及路側積水問題，本文從排水層厚度及排水設施等兩個方面進行了優(yōu)化，并提出了具體優(yōu)化設計措施。

［1］J.Hübelt and E.Sarradj，Tobias Lerch.A model for the acoustical optimization of porous road surfaces［J］.The 2002 International Congress and Exposition on Noise Control Engineering Dearborn，MI，USA.2002（8）：19-21.

［2］S.Carpinello1，Ph.L'Hermite，M.Be′rengier and G.Licitra.A new method to measure the acoustic surface impedance outdoors［J］. Radiation Protection Dosimetry，2004，111（4）:363-367.

［3］曹衛(wèi)東，陳旭，呂偉民.簡述國內(nèi)外低噪聲瀝青路面研究狀況［J］.石油瀝青，2005（1）:50-51.

［4］Hans Bendtsen，Bent Andersen.Noise Reducing Pavements-State of the art in Denmark［R］.Danish Road Institute，Report 141，2005，12-14

［5］Phil Morgan.Guidance Manual for the Implementation of Low-Noise Road Surfaces［R］.FEHRL Report，2006.

［6］GB 1496-1979，機動車輛噪聲測量方法［S］.

U416.2

B

1009-7716（2016）07-0072-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.021

2016-03-18

童毅（1975-），男，上海人，高級工程師，從事道路交通設計工作。