路面結構內部排水系統設計與修筑

劉士遠

(黑龍江省交通規劃設計研究院集團有限公司,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 前 言

隨著交通基礎設施建設規模的不斷擴大,涉及公路功能性指標的質量標準和技術要求逐漸提高。其中,路面結構內部排水是否通暢對路面使用壽命和使用功能的影響相對顯著。據有關調查[1,2],我國瀝青路面和水泥混凝土路面的過早損壞往往與承重結構在水分浸入狀態下持續通行重載車輛有關。當路面結構內部及其下部基礎材料當中滲入的滯留水過多,將導致路面結構強度的降低和整體彎沉的增加,引發并加劇路面病害,如唧泥、錯臺、斷裂、松散或坑槽,并使瀝青混合料集料剝落、加速瀝青膠結料的氧化等。在多雨地區和雨季集中的冰凍地區,這一現象尤其突出。因此,做好路面結構內部排水是解決這一問題的關鍵。

1 依托公路概況

1.1 綏滿公路尚志至亞布力支線概況

綏滿公路“尚志-亞布力”支線位于東經126°17′～129°08′、北緯44°30′～45°32′之間,所處區域公路自然區劃為Ⅱ2區,即東北中部山前平原重凍區。路線途徑張廣才嶺北部山地,地形起伏較大,雞爪崗特征明顯,海拔高度在500 m上下波動。沿線地表植被保持完好,一般以山坡坡腳為界,坡腳以上為林地,坡腳以下為水田,旱田較少。

路線所經區域為北溫帶大陸性氣候。年均氣溫2.8 ℃,最高溫度34.8 ℃,最低氣溫為-41 ℃;年均降水量691 mm,降雨期集中在6～8月;最大積雪厚度40 cm,最大凍深1.79 m;地面穩定凍結期自11月中旬開始,地面穩定解凍期為4月中旬。冬季以西南風為主導風向,最大風速22 m/s。路線所經地帶公路易發生凍脹、翻漿[2,3]。

沿線地面表層、底層結構為新生代第四紀沉積層和殘積層。地表土壤多為低液限黏土、風化砂礫、碎石土等,下層為花崗巖。

沿線河流漫灘區土層含水豐厚,土質松散,透水性良好,地下水位埋深較淺。

1.2 路面結構內部排水試驗段

為探討高等級公路瀝青路面結構內部排水系統的設計和施工方法,觀察使用效果,在綏滿公路“尚志-亞布力”支線設計修筑了3段合計長度1 500 m的瀝青面層下的瀝青穩定碎石排水層試驗路。其中第一段位于K76+000～K76+500,長度500 m,為原路面結構;第二段位于K76+500～K77+000,長度500 m,采用厚度6 cm的瀝青穩定碎石排水層代替6 cm下面層;第三段位于K77+000～K77+500,長度500 m,采用厚度8 cm的瀝青穩定碎石排水層代替6 cm下面層和2 cm的“6%水泥穩定風化砂礫+15%碎石”基層;第四段位于K77+500～K78+000,長度500 m,采用厚度8 cm的瀝青穩定碎石排水層代替8 cm的“6%水泥穩定風化砂礫+15%碎石”基層,底基層調整為20 cm厚的“6%水泥穩定風化砂礫+15%碎石”。在各試驗段設置路面邊緣集水溝及排水管[2-4]。

2 路面結構內部排水系統的設計

2.1 路面結構

(1)原路面結構Ⅰ。

K76+000～K76+500,常規設計路面結構:4 cm中粒式瀝青混凝土(AC-16Ⅰ)黑龍江調整型、5 cm中粒式瀝青混凝土(AC-20Ⅰ)、6 cm粗粒式瀝青混凝土(AC-25Ⅰ)、16 cm“6%水泥穩定風化砂礫+15%碎石”、16 cm“5%水泥穩定風化砂礫+10%碎石”、20 cm砂礫墊層。

(2)結構Ⅱ。

K76+500～K77+000,路面結構內部排水試驗段:4 cm中粒式瀝青混凝土(AC-16Ⅰ)黑龍江調整型、5 cm中粒式瀝青混凝土(AC-20Ⅰ)、6 cm瀝青穩定碎石排水層(層底設封層)、16 cm“6%水泥穩定風化砂礫+15%碎石”、16 cm“5%水泥穩定風化砂礫+10%碎石”、20 cm砂礫墊層。

(3)結構Ⅲ。

K77+000～K77+500,路面結構內部排水試驗段:4 cm中粒式瀝青混凝土(AC-16Ⅰ)黑龍江調整型、5 cm中粒式瀝青混凝土(AC-20Ⅰ)、8 cm瀝青穩定碎石排水層(層底設封層)、14 cm“6%水泥穩定風化砂礫+15%碎石”、16 cm“5%水泥穩定風化砂礫+10%碎石”、20 cm砂礫墊層。

(4)結構Ⅳ。

K77+500～K78+000,路面結構內部排水試驗段:4 cm中粒式瀝青混凝土(AC-16Ⅰ)黑龍江調整型、5 cm中粒式瀝青混凝土(AC-20Ⅰ)、6 cm粗粒式瀝青混凝土(AC-25Ⅰ)、8 cm瀝青穩定碎石排水層(層底設封層)、20 cm“6%水泥穩定風化砂礫+15%碎石”、20 cm砂礫墊層。

結構Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的結構內部排水路段均設置路面邊緣排水系統。在路面邊緣透水基層下設置集水溝,集水溝的左右側面和底部內襯防水型土工布,并在土工布表面噴灑一層乳化瀝青,以強化防水,避免集水溝中的水分滲入路基等,然后填充砂礫。集水溝匯集的流動水,由φ50 mm、橫向外傾坡度5%的PVC集水管(或采用相同規格尺寸的側面不透水、內部絲繞成型的土工排水管材成品)引至邊溝或邊坡坡面以外。

2.2 瀝青穩定碎石排水層邊緣排水設施

(1)縱向集水溝。

在瀝青穩定碎石排水層邊緣設置縱向集水溝,集水溝橫截面尺寸為30 cm×30 cm,側面和底部敷設防水土工布并噴灑一層乳化瀝青防止滲水,集水溝底部鋪設以絲繞方式成型的多空隙塑料透水管,并回填砂礫。在透水管的側面,縱向間隔5 m與橫向排水管銜接。

(2)橫向排水管。

每隔5 m設置φ5 cm的橫向PVC排水管(或側面不透水、內部絲繞成型的土工排水管材)。橫向排水管外傾坡度5%并伸出路基之外,伸出路基邊坡表面不少于10 cm,出水管出口端內長30 cm應填充濾排水無紡土工織物(如使用內部絲繞成型的排水管,則無需填充)。

3 主要原材料與技術指標

3.1 面層瀝青

面層瀝青采用AH-110重交通道路石油瀝青,其技術指標要求如表1所示。

表1 面層瀝青主要技術指標

瀝青穩定碎石排水層采用AH-90改性瀝青,技術指標要求如表2所示。

3.2 封層瀝青

封層瀝青使用乳化瀝青PC-2、PA-2,用量0.7～1.1 L/m2。也可以使用液體石油瀝青AL(M)-1、AL(M)-2、AL(S)-1、AL(S)-2,用量0.6～1.1 L/m2。

結構Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的封層是在瀝青穩定碎石排水層的下層表面噴灑一層橡膠乳化瀝青,再鋪一層防水土工布,土工布之上再噴灑一層橡膠乳化瀝青。封層乳化瀝青每次的用量為0.4～0.6 L/m2。

封層乳化瀝青的技術指標要求如表3所示。

表3 封層用橡膠乳化瀝青主要技術指標

3.3 集料

根據規范要求,瀝青混合料采用的碎石應當具備良好的抗壓、抗磨性能, 需要選用反擊式或者錘式破碎機生產的機軋碎石。集料須干燥、潔凈、無風化、無雜質。對瀝青混合料集料的技術指標要求如表4所示[4,5]。

表4 瀝青混合料集料的主要技術指標

4 面層材料級配范圍

4.1 瀝青穩定碎石排水層

瀝青穩定碎石排水層的瀝青用量為3.5%,對應的級配范圍及設計值如表5所示。

表5 瀝青穩定碎石排水層級配

4.2 面層AC-16Ⅰ黑龍江調整型、AC-20Ⅰ、AC-25Ⅰ瀝青混合料級配

路面面層AC-16Ⅰ黑龍江調整型、AC-20Ⅰ、AC-25Ⅰ瀝青混合料的瀝青用量為5.2%,對應的級配范圍如表6所示。

表6 面層AC-16Ⅰ黑龍江調整型、AC-20Ⅰ、AC-25Ⅰ級配

4.3 水泥穩定風化砂礫

水泥穩定風化砂礫的級配范圍如表7所示。

4.4 未篩分碎石

未篩分碎石的級配范圍如表8所示。

表8 未篩分碎石級配

5 結構層瀝青混合料的碾壓

5.1 瀝青混合料的碾壓

(1)初壓。

首先使用8～10 t雙鋼輪輕型壓路機或光輪壓路機在混合料攤鋪后溫度較高時開始初壓,鋼輪的線壓力不應小于350 N/cm。碾壓速度保持在1.5～2.0 km/h,碾壓2遍,碾壓過程中,混合料不能出現推移或開裂。碾壓路徑應從路面外側向中間逐步過渡,相鄰的碾壓輪跡須重疊1/3～1/2輪寬,最后碾壓路中線部分。如果是單幅碾壓,需要從路面低側向高側過渡,壓完單幅為碾壓一遍,并且每條碾壓帶的折回點位都要等間距錯開。當次碾壓完成進行第二遍碾壓時,用壓路機將所有錯開的折回點位打斜壓平。初壓后應立即檢查平整度、路拱、高程等,符合要求方可進行下一步工序。

(2)復壓。

初壓完成后,應緊接著使用雙鋼輪振動壓路機進行復壓。碾壓速度4.0 km/h,宜采用45～50 Hz的振動頻率,0.30～0.55 mm的振幅,并根據混合料的種類、溫度及厚度及時調整振動頻率和振幅,在層次較厚時采用較高的頻率和較大的振幅,相鄰碾壓輪跡的重疊寬度為10～20 cm。在倒車時應首先停止振動,并在反方向運動開始后重新啟動振動。碾壓的遍數應由試壓確定,一般為4～6遍,無明顯輪跡。

(3)終壓。

復壓完成后緊接著進行終壓,終壓使用膠輪壓路機或關閉振動的鋼輪振動壓路機,碾壓遍數不少于2遍且無輪跡,碾壓結束時混合料的溫度不應低于70 ℃。

施工,排水層瀝青穩定碎石混合料初壓、復壓、終壓的溫度分別控制在130～150 ℃、110～130 ℃、90～110 ℃。

5.2 碾壓時的重點注意事項

(1)當使用平衡梁時,必須緊跟在攤鋪機之后碾壓平衡梁下的兩行輪印。

(2)壓路機不得隨意停頓,而且停機時應停靠在硬路肩上或倒到后面溫度低于70 ℃的地方,并且再起步時,要把停機造成的輪跡碾壓至消失。

(3)壓路機碾壓過程中有瀝青混合料黏輪現象時,可向碾壓輪灑水或加洗衣粉的水,嚴禁灑柴油,黏輪嚴重時需指定人工用鐵鍬清理干凈,同時修補黏起的路面。

(4)壓路機應由路面較低的一側向較高的一側錯輪碾壓。

(5)壓路機的驅動輪應面向攤鋪機,以避免或減少混合料出現碾壓波紋和熱裂縫。

(6)變換碾壓路線時需要在碾壓區內較冷的一端改換路線。

6 試驗路觀測結果

6.1 排水層滲水試驗

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)的規定進行排水層瀝青穩定碎石混合料的滲水試驗。在瀝青穩定碎石排水層碾壓成型后,在不同路面結構的排水層上,在距離路面左、右邊緣1.5 m及路面中線上各選6點進行滲水試驗,試驗結果如表9所示。

表9 路面結構排水層各測點的滲水系數

根據表9的試驗結果,3段試驗路瀝青穩定碎石排水層的滲水效果良好。在排水層上用人工灑水,橫向排水管出水順暢。路面完工后,曾對橫向排水管出水口進行跟蹤調查,當年未觀察到明顯的排水跡象,經分析,與路面完工不久,路面無開裂、滲水等病害有關。兩年后的數次觀察,發現出水口位置有明顯的潮濕痕跡,說明路面結構內部排水系統已經開始發揮作用。

6.2 路面彎沉試驗

路面完工后測試路表彎沉,檢測頻率為1次/20 m/車道。表10是各試驗段路面彎沉檢測數據的綜合統計結果。

表10 路面彎沉檢測數據統計結果

由表10可知,各試驗段的路面彎沉實測值相差很小,結構Ⅱ、結構Ⅲ、結構Ⅳ是采用瀝青穩定碎石排水層的部分柔性基層,根據排水層位置的不同,路面彎沉值有所不同,但完全能夠滿足竣工驗收對彎沉值的要求。

7 結 論

(1)采用瀝青穩定碎石混合料排水層替代部分路面結構層,以構建路面結構內部排水系統的方案是可行的。

(2)采用的3種排水層設置層位,對整個路面結構強度和剛度沒有明顯影響,對路表彎沉值及層底拉應力的影響差別不大,可以根據實際路況需要選取不同的設置層位。

(3)排水層混合料的攤鋪、碾壓,需要對碾壓時間、溫度進行嚴格掌控,安排好不同工序的銜接。排水層碾壓完成后應盡快開始下一層的鋪筑,同時嚴格控制黏層油的灑布量。