新型雙層排水瀝青路面結構優化設計

摘要：文章利用有限元軟件建立數值模型，研究了不同結構層厚度組合下路面的力學響應，計算了不同結構參數的路面臨界降雨強度，并討論了結構參數對新型雙層排水瀝青路面排水性能的影響，得到如下結論：（1）不同排水層和防水層的厚度組合工況下路面結構的整體受力情況相同，排水層和防水層的厚度組合對新型雙層排水瀝青路面在車輛荷載作用下的力學響應特性影響很小；（2）影響新型雙層排水瀝青路面排水能力的因素由強至弱分別為上層空隙率、橫坡、下層空隙率、上層厚度，在上層空隙率為20.0%、橫坡為6.0%、下層空隙率為20.0%、上層厚度為4.5 cm的工況下，新型雙層排水瀝青路面的臨界降雨強度最大，達到了7.56×10-6 m/s。

關鍵詞：新型雙層排水瀝青路面；數值模擬；力學響應；排水性能；參數敏感性分析

中圖分類號：U416.217A050163

0 引言

在交通強國戰略的背景下，我國的高速公路建設不斷推進，高速公路網四通八達，其中采用瀝青路面的高速公路里程占高速公路總里程的90%以上。瀝青路面具有較高的強度和較好的穩定性，但隨著高速公路里程的增加，瀝青路面的問題逐漸變得明顯，其中之一就是雨天路滑的問題。據統計，雨天的交通事故率約為晴天的5～8倍。我國大部分地區屬季風氣候，夏季多雨，大量雨水落在瀝青路面上，若排水不及時，則會導致瀝青路面上形成水膜，降低路面的摩擦系數，大大增加汽車的制動距離，危害行車安全。因此，對路面結構的排水性能進行優化對保障行車安全至關重要，而對于路面結構排水性能優化這一問題已有大量學者進行了研究。

竇大峣［1］針對路面排水基層的瀝青混合料進行研究，設計了不同級配瀝青碎石混合料的試驗工況，分別進行了滲水性能、結構性能等試驗。蔡正森等［2］基于有限元軟件建立數值模型，進行了流固耦合計算，對降雨作用下新型雙層排水瀝青路面的堵塞階段進行劃分，并分析了路面上層空隙率、路表沉積物質量、雨水滲流速率對路面排水性能的影響。劉毓氚等［3］提出一種S型復合排水材料新型路面結構排水系統，并通過室內模型試驗和數值模擬研究了土工織物參數對其排水性能的影響。汪敏［4］分析了多孔瀝青路面坡度、坡長、厚度、空隙率、降雨量、滲水系數以及水膜厚度之間的相關性，并通過室內模型試驗研究了不同車速條件下路面摩擦系數與水膜厚度間的變化規律。孔成維［5］利用有限元軟件進行流固耦合分析，研究了不同路面參數下新型雙層排水瀝青路面滲流場的變化規律，并通過車轍試驗和堵塞試驗研究了車轍和堵塞在路面排水性能衰減中的作用機理。鄧娟華等［6］利用ABAQUS軟件建立模型并進行數值計算，研究了多車道單層和新型雙層排水瀝青路面長期降雨工況下的排水性能。朱廣安［7］依托上海市某排水瀝青路面實際工程，建立數值模型進行流固耦合計算，分析了雨強、路寬、坡度等因素對道路排水性能的影響。

本文依托廣西南寧繞城高速公路舊水泥混凝土路面改造工程，利用有限元軟件建立數值模型并進行計算分析，研究了不同瀝青路面結構層厚度組合下新型雙層排水瀝青路面的力學響應，并設計了正交實驗，通過流固耦合模塊對臨界降雨強度進行計算，討論了不同結構參數對新型雙層排水瀝青路面排水性能的影響，以期為新型雙層排水瀝青路面的設計提供參考。

1 新型雙層排水瀝青路面有限元模型

本文依托廣西南寧繞城高速公路舊水泥混凝土路面改造工程，工程區域位置如圖1所示。由于廣西地處低緯度地區，屬南亞熱帶季風氣候，氣溫高，降水豐富，多年平均降雨量為1 304.2 mm左右，降雨多集中在5～9月，且降雨季節多暴雨，因此對瀝青路面的防水性能提出了更高的要求。

新型雙層排水瀝青路面的結構與常規單層瀝青路面基本相同，主要區別在于新型雙層排水瀝青路面的表層是由多空隙瀝青混合料制成的排水層，在排水層與下承層之間設置了防水層。新型雙層排水瀝青路面的結構層自上向下分別為瀝青面層、基層、底基層，其中瀝青面層由排水層（上面層）、防水層（中面層）和下承層（下面層）組成。新型雙層排水瀝青路面結構如圖2所示。

本文利用有限元軟件建立數值模型并進行計算分析，考慮到軟件的計算效率及精度，設置模型的幾何尺寸為：3.0 m×3.0 m×3.0 m（長×寬×高），上面層和中面層的總厚度為10 cm。根據上面層和中面層的厚度組合在計算時分為3種工況：

工況一：上面層3.5 cm+中面層6.5 cm。

工況二：上面層4.0 cm+中面層6.0 cm。

工況三：上面層4.5 cm+中面層5.5 cm。

下面層的厚度為10 cm，基層的厚度為40 cm，底基層的厚度為20 cm，路基的厚度為220 cm。在劃分網格時對分析區域進行加密。數值模型如圖3所示。

模型的邊界條件設置為：對模型底面施加水平和豎直方向的約束，限制底面的豎向和水平向的位移；對模型側面施加垂直與側面的約束限制側面的法向位移。相對于整個路面的面積，車輛行駛時的荷載作用面積很小，為方便計算，可以取矩形區域代替真實的雙圓荷載區域。車輛軸重分別取100 kN，車輛對地面的荷載為0.7 MPa。

參考《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50-2017）對模型的力學參數取值，如表1所示。

2 新型雙層排水瀝青路面的力學響應

利用有限元軟件對新型雙層排水瀝青路面在車輛荷載的受力特性進行計算分析，得到不同工況下新型雙層排水瀝青路面在車輛荷載作用下的力學響應如圖4所示，其中“-”表示壓應力或壓應變。

如圖4所示，造成路面結構發生破壞的原因主要包括路面的豎向變形及路面層底受拉破壞，隨著路面結構深度的不斷增加，不同結構層的豎向變形、層底拉應力、層底拉應變和層頂壓應力均在逐漸減小。由于不同工況下路面瀝青面層的厚度均為20 cm，僅是排水層和防水層的厚度組合不同，不同工況下路面結構的整體受力情況相同，隨著排水層厚度的逐漸增大和防水層厚度的逐漸減小，對應層面的層底拉應力和層底拉應變有一定程度的減小，層頂壓應力幾乎沒有變化，對應深度的豎向位移有較小程度的減小，不同工況下路面結構的力學響應數值較為相近，排水層和防水層的厚度組合對新型雙層排水瀝青路面在車輛荷載作用下的力學響應特性影響很小。

3 新型雙層排水瀝青路面的臨界降雨強度

為研究新型雙層排水瀝青路面的排水能力，引入臨界降雨強度指標。臨界降雨強度表示新型雙層排水瀝青路面在降雨時不出現地表徑流條件下對應的最大降雨強度，在進行流固耦合數值計算時，需要將降雨量轉化為對應的降雨速度。臨界降雨強度的計算流程如下頁圖5所示，其中a為最大降雨強度，b為最小降雨強度，α為臨界降雨強度，當新型雙層排水瀝青路面的內部含水率＞99.9%時，認為新型雙層排水瀝青路面達到飽水狀態，對應的降雨強度即為臨界降雨強度。

本節通過設置不同的計算工況，研究路面上層厚度、路面上層空隙率、路面下層空隙率和橫坡值對路面排水能力的影響，其中路面上層厚度分別為3.5 cm、4.0 cm、4.5 cm；路面上層空隙率分別為18.0%、20.0%、22.0%；路面下層空隙率分別為20.0%、22.0%、24.0%；橫坡值分別為2.0%、4.0%、6.0%。由于因素及水平過多，若采用傳統的控制變量法需要進行81次計算，大大增加了工作量，因此采用正交設計法設計計算工況，采用L9（4×3）的正交表，計算結果如表2所示，極差分析結果如表3和圖6所示。

如表2、表3和圖6所示，影響新型雙層排水瀝青路面排水能力的因素由強至弱分別為上層空隙率、橫坡、下層空隙率、上層厚度。根據數值計算的結果，在上層空隙率為20.0%，橫坡為6.0%，下層空隙率為20.0%，上層厚度為4.5 cm的工況下，新型雙層排水瀝青路面的臨界降雨強度最大，達到了7.56×10-6 m/s。但在實際工程中，為保證行車安全，新型雙層排水瀝青路面的橫坡設計值一般不會達到6.0%，因此，在對新型雙層排水瀝青路面結構參數取值時，還應考慮其他多方面條件。

4 結語

本文依托廣西南寧繞城高速公路舊水泥混凝土路面改造工程，利用有限元軟件建立數值模型，研究了不同瀝青路面結構層厚度組合下新型雙層排水瀝青路面的力學響應，并計算了不同結構參數的路面臨界降雨強度，討論了不同結構參數對新型雙層排水瀝青路面排水性能的影響，得到如下結論：

（1）不同排水層和防水層的厚度組合工況下路面結構的整體受力情況相同，隨著排水層厚度的逐漸增大和防水層厚度的逐漸減小，對應層面的層底拉應力和層底拉應變有一定程度的減小，對應深度的豎向位移有較小程度的減小，排水層和防水層的厚度組合對新型雙層排水瀝青路面在車輛荷載作用下的力學響應特性影響很小。

（2）影響新型雙層排水瀝青路面排水能力的因素由強至弱分別為上層空隙率、橫坡、下層空隙率、上層厚度。在上層空隙率為20.0%，橫坡為6.0%，下層空隙率為20.0%，上層厚度為4.5 cm的工況下，新型雙層排水瀝青路面的臨界降雨強度最大，達到了7.56×10-6 m/s。

參考文獻

［1］竇大峣.寒冷地區瀝青路面排水基層混合料的試驗分析［J］.黑龍江交通科技，202 45（4）：15-18.

［2］蔡正森，范劍偉，馬 濤，等.雨水沖刷作用下新型雙層排水瀝青路面空隙堵塞特性［J］.東南大學學報（自然科學版），2023，53（4）：609-616.

［3］劉毓氚，張 川.路面結構S型復合土工材料排水系統性能分析［J］.福州大學學報（自然科學版），202 49（2）：245-253.

［4］汪 敏.多孔瀝青路面排水特征及安全性能研究［D］.重慶：重慶交通大學，2023.

［5］孔成維.新型雙層排水瀝青路面排水特性及結構組合設計研究［D］.南京：南京林業大學，2022.

［6］鄧娟華，鄒 杰，彩雷洲，等.多車道排水瀝青路面排水能力影響因素研究［J］.西部交通科技，2021（1）：57-60.

［7］朱廣安.基于63雨型的透水路面非飽和滲流分析及排水性能研究［J］.城市道橋與防洪，2020（12）：112-115，17.

收稿日期：2023-10-11

作者簡介：馬萬榮（1973—），高級工程師，主要從事公路工程施工管理工作。