郭志滨

(张家口市交通局)

1 路面的排水能力

1.1 路表渗入率

采取常规方法,通过对国内典型地区水泥混凝土路面和沥青路面的现场渗入率进行测试,得出以下结论:水泥混凝土路面的渗水能力与接(裂)缝的宽度,接缝料的完好程度、下卧层的透水能力等有关,其值可以在0～4000cm3/(h.cm)之间变化;沥青路面的渗水能力和路面材料的孔隙率、裂缝的类型、裂缝的数量等有关,其值可以在0～1250cm3/(h·cm)之间变化。

采用模拟降雨器模拟不同降雨强度进行路面渗入率研究,得出在降雨强度较大时,降雨量的 95%以上都随地面径流而流走,仅有少部分通过沥青面层或裂缝渗入路面内部的结论。

在对不同渗入率确定方法分析的基础上,建议采用 1年一遇lh的设计降水强度值得 0.33～0.50(沥青路面)或0.50～0.67(水泥混凝土路面)作为路表设计渗入率。

1.2 路面实际排水能力

试件的排水能力并不代表路面的排水能力,为此在室内采用足尺板来研究路面的实际排水能力。测试是在上游水头恒定的条件下进行。通过试验发现,从上游到下游,水的渗流路径是抛物线,而不是我们通常假设的等截面。水在多孔路面材料中的渗流行为服从杜布依公式。

(1)当基层底面的横坡为 0时,路面的排水能力如公式所示:

它不服从达西定律,而是达西定律计算值的一半。

(2)当基层底面横坡为 S时,路面的排水能力如公式所示:

1.3 计算排水能力时渗透系数的取值方法

直接的方法,是通过实测足尺板的渗透系数作为计算路面排水能力的渗透系数k,但这种方法较为繁琐。间接的方法,可通过对试件垂直渗透系数 k′的修正,来获得计算路面排水能力的渗透系数 k。这种方法的优点是操作简单,缺点是在物理意义不明确。试验的关键在于在室内对试件的垂直渗透系数进行修正,使其在数值上等于路面足尺试验板试验所获得的渗透系数。

间接法建立排水能力用渗透系数k的具体步骤:

第一步——进行足尺试验板试验得到渗透系数k;

第二步——对试验板钻芯,确定其确定室内渗透系数k′;

第三步——确定渗透系数 k和试件渗透系数 k′之间的修正系数A

则K=A×k′

在求得修正的渗透性系数k′后,可使用杜布依公式推求路面的排水能力。

1.4 非稳定流时的排水时间

设计基层的排水能力涉及到排水时间,与排水时间有关的是材料的孔隙率和横坡大小。为此,我们进行了相同横坡不同孔隙率时、以及相同孔隙率不同横坡时,排水量与排水时间的关系试验,结果表明,孔隙率越大或横坡越大,排除相同水量所需的排水时间越短。

2 贫混凝土透水基层材料设计方法

2.1 试件成型方法

不同的成型方法对其多孔贫混凝土的渗透性、强度影响很大,所以对多孔贫混凝土透水基层材料的成型方法进行系统研究。

在室内,我们共进行了5种不同成型方法的试验比较见表 1,采用 3个指标来评价成型方法的适用性,分别是集料破碎率指标、强度变异性指标和孔隙率变异性指标。

表1 不同成型方法的比较

通过分析,发现采用上置式振动成型的方法成型得到的试件,集料破碎率小、强度变异性和孔隙率变异性均较小,同时上置式振动方法和现场振动机理相近,因此推荐采用上置式振动成型的方法成型多孔贫混凝土试件。

2.2 材料的级配

为得到多孔结构,可以通过以下两个途径。

控制压实度,即对材料不进行充分压实,使其保持一定量的孔隙。

调整级配。在充分压实的情况下,不同的级配有不同的孔隙率。

调整压实度的方法不能充分发挥材料本身的特性,在经济上是不可取的。因此应主要研究如何调整级配获得透水基层材料。

通过大量的室内试验研究,得出以下的多孔贫混凝土试件的全孔隙率的预测公式

式中:V为试件的全孔隙率;VMA为集料压实后形成的间隙率;VCement为水泥石的体积。

2.3 配合比设计方法

(1)级配设计。

级配设计满足以下三个原则:渗透系数符合要求、级配不离析、配制出的试件的抗压强度符合要求。

(2)水泥用量的确定。

水泥浆的用量可以模仿沥青混凝土计算沥青膜的思路,建立不同水泥用量和级配之间的相关关系。假设每个集料上裹附的水泥浆膜厚度为一个确定值,那么比表面积总和与水泥膜厚度的乘积就是所用水泥浆的体积,最后水泥浆的体积再乘以水泥浆的密度即为水泥浆的质量。

(3)水灰比的确定。

试验表明在相同集灰比条件下,在一定范围内存在最佳水灰比使强度达到最大,但一般强度峰值并不明显。所以寻找最佳水灰比的重点不是追求最大强度,而是追求良好的施工和易性和良好的裹附性。

目前使集料表面带有金属光泽的水灰比是一个比较理想的水灰比。根据经验常用的水灰比一般为 0.39～0.41之间。

3 贫混凝土透水基层路面结构设计方法

3.1 层间粘结问题

为防止路面水泥浆下渗堵塞排水基层的孔隙,在面层和基层间采取了层间隔离措施。为此进行了室内界面接触直剪试验,得出不同隔离状态下正应力与剪应力的关系曲线。从试验结果可知,加设的隔离层对面层和基层间的层间结合状况的影响较大,直接铺筑时界面结合力最大,其次是新闻纸的隔离状态。

由于采取层间隔离措施,改变了水泥路面和基层的隔离状况,现场采用足尺板进行不同隔离状态的顶推试验,得到位移和顶推力曲线,现场顶推试验为计算分析提供了依据。

3.2 水泥混凝土路面结构荷载应力分析

通过计算分析,得出以下几个结论。

(1)本研究的计算结果和规范计算结果接近;

(2)层间结合式以基层底最大弯拉应力为控制。层间分离时需同时以对混凝土面板底及透水基层底弯拉应力进行控制;

(3)采用隔离措施时,计算状态更接近于分离式。

3.3 温度应力计算

通过研究获得以下两个成果。

(1)在计算温度应力系数时将水泥混凝土面层和贫混凝土基层的总厚度扩展到 0.4m以上。

(2)考虑了基层切缝(有限尺寸板)和不切缝(无限大板)时的温度应力。对基层切缝和不切缝两种情况,都给出计算公式:

式中:σt为部分结合状态下路面结构的温度应力;μ为温度应力计算系数,其值介于 0和 1之间;σtm为光滑状态下路面结构的温度应力;σ′tm为完全结合状态下路面结构的温度应力。