市政道路路面結構新型排水系統影響因素研究

惠興智

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

目前，國內外關于路面結構排水系統展開大量研究，如苗兆靜[1]提出了公路瀝青路面結構內部排水系統的設計流程，研究證明了排水系統設計主要技術指標均滿足規范要求；游金梅等[2]設計了公路排水系統并模擬了降雨情況下公路面層、基層結構內部含水量，通過有限元計算得出路面下層結構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在基層處于非飽和狀態開始排水，其排出的水量是傳統方式排水量的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]分別對隧道、橋面排水的影響因素進行了總結，從而采取有效的排水設計方案，確保公路工程的質量。由于地區土質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傳統排水系統的優化和設計方面，基于此，本文提出了一種新型排水系統設計，通過數值模擬的方法與傳統排水系統的排水性能進行了比較，并針對新型排水系統的影響因素展開了對比分析，可為類似市政道路新型排水系統設計研究提供有益參考。

1 工程概況

以某城市主干道為例，該道路設計速度采用60 km/h，路面寬度為25.5 m，車道設計為雙向四車道，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，道路兩側設3.5 m人行通道。路面鋪裝采用瀝青混凝土，厚度為14 cm，基層采用水泥穩定碎石，厚度為20 cm，路基填土厚度為3.5 m。路面結構排水方式采用新型排水系統取代舊排水系統的底基層，設置在基層和路基之間，該排水系統采用土工織物包裹土工網形式排水，主要由水力傳導層、毛細防滲層和隔離層三部分構成，水力傳導層和隔離層均采用非編織土工織物組成，毛細防滲層采用土工網組成，該路基斷面結構如圖1所示。

圖1 路基斷面結構簡圖（單位：mm）

2 建立模型

以原路面結構形式、設計尺寸以及主要材料為依據，通過運用有限元軟件GEOSTUDIO建立路面結構排水系統數值模型，模型中網格劃分均采用尺寸為20 mm×20 mm的四邊形單元，共包含582個單元和741個節點，其有限元模型如圖2所示。

圖2 新型排水系統有限元模型

參考當地往年降雨情況，模擬分析過程中降雨強度設置為26 mm/hr，持續時間90 min。為保證分析結果的精準性，在模型上部采用大小為降雨強度的流量邊界，兩側和底部均采用不透水邊界。模型中路基沿中心線嚴格對稱，且無介質交換；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行施加，且忽略蒸發作用的影響。模型中使用到的主要材料參數如表1所示。

表1 計算模型主要材料參數

3 新舊排水系統基質吸力對比分析

模擬分析主要包括新舊排水系統降雨和排水兩個階段，降雨階段持續時間為90 min，排水階段持續時間為360 min，針對路面結構新舊排水系統內部水分子滲流情況展開對比研究，通過對比新舊排水系統的基質吸力，綜合分析了新舊排水系統的排水性能差異。

3.1 基層基質吸力分析

運用數值分析軟件模擬周期450 min內新舊排水系統內部水分子滲流情況，并針對路面結構中基層基質吸力變化規律進行對比分析，結果如圖3所示。

圖3 基層基質吸力變化曲線

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

3.2 路基基質吸力分析

運用數值分析軟件模擬周期450 min內新舊排水系統內部水分子滲流情況，并針對路面結構中路基基質吸力變化規律進行對比分析，結果如圖4所示。

圖4 路基基質吸力變化曲線

根據圖4可知，在降雨階段隨著水分的滲入，新型排水系統路基的基質吸力基本保持不變，而舊排水系統路基的基質吸力呈較大的減小趨勢，且在降雨70 min左右路基水分達到飽和狀態，基質吸力下降為零。降雨停止后，新型排水系統路基的基質吸力出現小幅度的下降，隨后開始慢慢回升，但整個水分滲流過程新型排水系統路基的基質吸力值均遠遠大于舊排水系統。綜合新舊排水系統路基基質吸力的變化情況，路面結構采用新型排水系統的排水效果要遠遠優于舊排水系統。同時，新型排水系統的設計厚度要遠小于傳統排水系統的厚度，對路面結構的受力及承載力影響更小，可保證路基同時具有優良的排水性能和安全性。

4 新型排水系統影響因素分析

路面結構排水設計中新型排水系統的設計參數是影響路面排水性能的重要因素，合理的參數設計可以有效提升路面結構的排水效果，以起到維護道路安全穩定和延長使用壽命的作用，本文分別從不同布置方式、厚度以及坡度對新型排水系統排水性能的影響展開了研究。

4.1 布置方式的影響

研究針對新型排水系統以下3種布置方式的路面結構排水效果展開對比分析，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，結果如圖5所示。

圖5 不同布置方式下路面結構孔隙水壓力及含水率分布曲線

根據圖5可知，新型排水系統采用布置方式二和方式三的路面結構面層孔隙水壓力大致相似，均要遠小于布置方式一；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。路面結構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3種布置方式對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厚度對路面結構排水性能的影響，分別模擬厚度為30 mm、50 mm、70 mm及90 mm的新型排水系統，并針對路面結構的孔隙水壓力和體積含水率展開對比分析，結果如圖6所示。

圖6 不同厚度影響下路面結構孔隙水壓力及含水率分布曲線

根據圖6可知，當新型排水系統厚度由30 mm增至90 mm時，基層的孔隙水壓力呈不斷減小趨勢，路基土的孔隙水壓力無明顯變化，說明新型排水系統厚度的變化對基層水壓力影響較大，而對路基土的水壓力無太大影響。新型排水系統厚度由30 mm增至90 mm時，基層的體積含水率同樣呈不斷減小趨勢，路基土的體積含水率無明顯變化，說明新型排水系統厚度的變化對路面結構基層含水率影響較大，對路基土的含水率影響非常小。綜上所述，適當增加新型排水系統厚度可以有效控制基層的水壓力和含水率，從而提升路面結構的排水效果，但新型排水系統厚度的增大對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，并針對路面結構的孔隙水壓力和體積含水率展開對比分析，結果如圖7所示。

圖7 不同坡道影響下路面結構孔隙水壓力及含水率分布曲線

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

5 結論

本文以實際工程為依托，通過采用數值模擬的方法，對比研究了新舊排水系統的排水性能，并針對影響新型排水系統排水性能的不同設計參數展開了分析，得到以下主要結論：新型排水系統不僅可以有效保持基層和路基在降雨過程中的基質吸力，更能在降雨停止后有效回升基質吸力，從而保持路面結構具有良好的排水效果。新型排水系統3種布置方式對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。新型排水系統厚度和坡度的變化對路基的排水效果基本無影響，適當增加新型排水系統厚度和坡度可以有效控制基層的水壓力和含水率，從而提升路面結構的排水效果。