全透式路面的可行性研究

馮永艷 丁穎杭

一般認(rèn)為路基應(yīng)保持干燥，以提供穩(wěn)定的承載力，故傳統(tǒng)路面設(shè)計(jì)均采用不透水結(jié)構(gòu)或半透式結(jié)構(gòu)組合。但隨著近年來海綿城市理念的推廣，對道路透水性提出了新的要求。最新路面結(jié)構(gòu)要求慢行系統(tǒng)可采用全透式結(jié)構(gòu)組合，但占道路大半面積的機(jī)動車道仍然采用不透水結(jié)構(gòu)，并在必要處加設(shè)防滲土工布以保證機(jī)動車道范圍的路基土干燥。為了更好地響應(yīng)海綿城市的建設(shè)理念，建設(shè)更為環(huán)境友好的道路系統(tǒng)，本文試圖尋找建設(shè)全透式機(jī)動車道的可行性條件，以大幅度提高道路建設(shè)的整體透水率，為海綿城市建設(shè)理念的貫徹實(shí)施提供保障。

一、路基土濕化破壞機(jī)理

地下水位上升或連續(xù)降雨都會導(dǎo)致路基土濕化。土體濕化后水-土之間發(fā)生一系列相互作用，如：顆粒軟化、棱角破碎、相互滑移、重新分布填充等，最終導(dǎo)致填筑體的沉陷或者變形。

已有的研究成果表明，濕化會引起附加側(cè)向應(yīng)變，降低強(qiáng)度，但降低程度與土體性質(zhì)直接相關(guān)。土體隨著含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低，承載能力隨之降低。

土體濕化所產(chǎn)生的附加軸向應(yīng)變和附加體應(yīng)變使得土體變得更加密實(shí)，呈現(xiàn)一種類似超固結(jié)的狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)一步剪切時(shí)，潛在滑動面上的顆粒間由于相互錯(cuò)動而引起擠壓，當(dāng)相互擠壓所產(chǎn)生的合力超過了圍壓時(shí)，便表現(xiàn)為剪脹。剪脹的出現(xiàn)使得潛在滑動面變?yōu)槊鞔_的滑動面，會加速土體的變形和破壞，這也是濕化后土體抗剪強(qiáng)度下降的原因之一。當(dāng)圍壓較大時(shí)，顆粒間相互錯(cuò)動擠壓的合力無法超過圍壓，剪脹現(xiàn)象便會減弱甚至消失。此時(shí)由于顆粒間相互錯(cuò)動的阻力加大，土體抗剪強(qiáng)度會得到一定程度提高，部分軟弱土顆粒被壓碎。

土體濕化后除對土體本身的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響外，還會加速破壞路面結(jié)構(gòu)，如圖1所示。路基土孔隙水過多時(shí)，空隙間聯(lián)通，土體孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力減小。當(dāng)車輛荷載作用時(shí)，路基土擠壓變形，聯(lián)通的孔隙水形成動水，反復(fù)沖刷路面結(jié)構(gòu)底層，造成結(jié)構(gòu)層底水損壞，板底脫空，進(jìn)一步發(fā)展，路面結(jié)構(gòu)失去支撐，造成路表凹陷，造成結(jié)構(gòu)層的整體破壞。

圖1 孔隙水對路面結(jié)構(gòu)層的破壞示意圖

除常規(guī)濕化破壞外，在寒冷地區(qū)濕化路基還存在凍融現(xiàn)象，存在路基凍脹融陷的問題。嚴(yán)重影響路基安全。

故傳統(tǒng)路基需保持干燥，維持最佳含水率，保證壓實(shí)度。對浸水路基要采取特別的處理措施，如設(shè)置排水盲溝、換填墊層、設(shè)置防滲土工布等，保證路基和結(jié)構(gòu)安全。

二、路基土干濕狀態(tài)判別

路基干濕狀態(tài)的劃分是確定路基是否會發(fā)生濕化破壞的指標(biāo)。《城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了路基干濕類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，以路床頂面以下80cm深度內(nèi)的平均稠度wc為判定指標(biāo)。可見路床頂面以下80cm深度范圍是十分重要的，要保證干范圍內(nèi)土體的干燥或采用耐水高強(qiáng)度材料。

除直接判斷外，由于我國幅員遼闊，地域差距巨大，通過自然分區(qū)判別也是行之有效的手段。通常我國北方地區(qū)地下水位較低，南方地區(qū)地下水位較高。山區(qū)地下水位較低，沿海平原溝谷地下水位較高。

三、我國透水路面的發(fā)展

國內(nèi)從20 世紀(jì)90 年代才開始對透水道路結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索試驗(yàn)，已取得了一些初步成果，但發(fā)展比較緩慢，應(yīng)用也未全面推廣。胡世金建議采用上面層OGFC、中面層粗粒式ATPB-25 或ATPB-30、底面層特粗式ATPB-40、基層級配碎石、底基層天然砂礫，以及灰土防水、滲溝和排水溝排水的透水瀝青路面結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)組合為全透式路面，但對應(yīng)用條件并未加以限制。其指出，當(dāng)路基不怕水時(shí)，可以不設(shè)防水層，路面透下來的水直接滲走，如果水不能滲走則應(yīng)設(shè)置排水系統(tǒng)將水排走。當(dāng)路基怕水時(shí)，則必須做防水層和排水系統(tǒng)將水排走。

JTG D50—2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》第7 章“瀝青面層”中規(guī)定“排水表層宜為30～40 mm”，“條文說明”里提出排水面層厚40～50 mm，使用時(shí)根據(jù)道路實(shí)際需求可在30～50 mm 中選取。未考慮全透式路面，實(shí)際不能稱之為透水路面。

近幾年來，海綿城市建設(shè)發(fā)展迅速，但透水路面仍然僅用于慢行系統(tǒng)。對荷載較大的機(jī)動車道范圍仍然未有涉足，與海綿城市建設(shè)的勢頭相悖。如何處理好荷載影響，擴(kuò)大透水路面的適用范圍，選擇優(yōu)良的結(jié)構(gòu)組合，又維持在經(jīng)濟(jì)合理的造價(jià)水平，是本文重點(diǎn)討論的內(nèi)容。

四、全透式路面設(shè)計(jì)條件及處理方式

由前述可知，維持路基干燥是使用透水路面的前提條件。路床頂面以下80cm深度范圍是荷載影響的敏感區(qū)域。故全透式路面結(jié)構(gòu)的設(shè)置前提為路床頂面以下80cm深度范圍路基土應(yīng)為砂性土，有良好的透水性，且本身性質(zhì)穩(wěn)定，不會因泡水造成較大的強(qiáng)度降低或形變。

當(dāng)路床頂面以下80cm深度范圍路基土性質(zhì)不良時(shí)，需換填處理方可采用全透式路面。砂性土的選用受地下水位高低的影響。地下水位過高，逼近結(jié)構(gòu)層底時(shí)建議采用碎石換填。具體數(shù)值及砂性土性質(zhì)對應(yīng)可參見《城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》。

由于全透式路面的水的下滲通道是通暢的，有可能導(dǎo)致雨天路基范圍地下水急劇升高。為保證地表雨水下滲后不過高抬升地下水位，造成在荷載作用下的結(jié)構(gòu)水損壞，全透式路面結(jié)構(gòu)下需設(shè)置集水、排水管道，將過多下滲的雨水迅速排出路基范圍，如圖2所示，維持地下水位在一定的高度。

圖2 透水路面設(shè)置示例圖

若地下水位過高，無法維持安全距離，需特別限定路面結(jié)構(gòu)的材料，要選用耐久的抗沖刷材料，或設(shè)置隔水層。

五、結(jié)語

本文從實(shí)際出發(fā)，依托工程經(jīng)驗(yàn)，從多個(gè)角度分析了全透式路面在重交通作用的機(jī)動車道范圍應(yīng)用的可行性，并提出限定條件，得出以下主要結(jié)論：

1.保證路床頂面以下80cm深度范圍路基土性質(zhì)穩(wěn)定是設(shè)置全透式路面結(jié)構(gòu)的前提條件。

2.地下水位線需與路面結(jié)構(gòu)底層保持一定距離，該距離與路基土性質(zhì)有關(guān)，當(dāng)不能保證距離時(shí)，可采用耐久的抗沖刷的路面結(jié)構(gòu)材料或設(shè)置隔水層。

3.可通過設(shè)置排水設(shè)施，維持安全的地下水位。