路面结构新型排水系统性能模型试验研究

刘毓氚 ， 缪宏杰， 2

(1. 福州大学土木工程学院， 福建 福州 350116； 2. 福建农林大学金山学院， 福建 福州 350002)

路面结构新型排水系统性能模型试验研究

刘毓氚1， 缪宏杰1， 2

(1. 福州大学土木工程学院， 福建 福州 350116； 2. 福建农林大学金山学院， 福建 福州 350002)

基于非饱和渗流理论， 提出采用复合土工合成排水材料作为排水通道的路面结构新型排水技术. 以室内模型试验， 对比分析采用新型排水系统和传统排水方式时， 路面各结构层排水量以及基质吸力变化. 模型试验研究结果表明， 新型排水系统在基层处于非饱和状态开始排水， 其排出的水量是传统方式排水量的1.25倍， 可减少积蓄于基层的水量， 提高基层承载性能.

路面结构； 排水系统； 水力传导层； 非饱和渗流； 复合土工合成材料

0 引言

传统路面结构排水采用在基层下方设置级配碎石层作为排水通道， 设计基于“time-to-drain”的排水模式， 即当基层材料接近饱和时才开始排水[1-3]. 由于传统排水设计无法实现非饱和状态下排水， 使得路面结构基层常处于饱和状态， 影响路面结构承载性能. Heckel[4]提出基于饱和渗流的传统排水设计并不能完全有效降低水对路面结构的不利影响， 也无法保证提高路面结构的排水性能和寿命， 事实上还有可能降低路面性能和寿命.

顺应社会发展新潮， 复合土工合成材料施工简单、 排水能力强， 因此不少学者将复合土工合成材料应用于土工构筑物排水中[5-6]. Stormont等[7]开展一系列不同类型路基土的室内模型试验， 结果表明， 当复合土工材料置于路基和基层之间时， 路面结构基层发生水平排水， 水分无法下渗至路基， 但是水分在基层和复合土工材料交界面处发生积滞. 为进一步研究复合土工合成材料对于路面结构的承载性能影响， Bahador等[8]采用SEEP/W和FLAC软件进行渗流场和应力场耦合分析复合土工合成材料对于道路的排水性能和力学性能的影响. 数值模拟结果表明， 使用复合土工材料路基孔压增加8 kPa， 基层孔压降低3.6 kPa； 对于沥青道路， 复合土工合成材料减少其总塑性变形55%.

近年来， 国内外许多学者研究复合土工合成材料在铁路、 路堤[9]等施工中的应用， 然而复合土工合成材料应用于路面结构的排水研究甚少. 本文应用非饱和渗流理论深入研究采用新型排水系统的路面结构排水性能， 开展室内模型试验， 对比分析采用新型排水系统和传统排水方式时， 路面各结构层排水量以及基质吸力变化.

1 路面结构新型排水系统

图1 路面结构新型排水系统Fig.1 New pavement drainage system

基于非饱和渗流理论， 提出采用复合土工合成排水材料作为排水通道的路面结构新型排水技术， 如图1所示. 路面结构新型排水系统由三部分组成， 从上而下依次为水力传导层、 毛细防渗层和隔离层， 旨在非饱和状态下将入渗路面结构基层的水快速有效排除， 减轻入渗水对路面结构损伤.

水力传导层采用非编织土工织物， 非编织土工织物能够在基质吸力处于中低值时保持较高的水力传导系数[9]. 水力传导层主要作用为在路面结构基层处于非饱和状态下进行侧向排水. 水力传导层还具备一定隔离作用， 防止周围土体进入土工网的孔隙中. 毛细防渗层由具备大而规则孔隙的土工网组成， 其进水值水头只有几毫米. 故其与水力传导层形成毛细阻滞效应， 阻隔上层自由水的下渗. 隔离层采用非编织土工织物， 有效隔离下层土体与土工网的孔隙， 主要用于防止新型排水系统淤堵， 从而保证其长期有效性.

2 室内模型试验

2.1 试验方案

图2 对比试验设计图 (单位： mm)Fig.2 Contrast test design (unit： mm)

室内模型试验如图2所示， 试验中所选用的路面结构形式、 尺寸厚度以及所用材料均参考福建省常用路面结构形式[10]. 试验A为使用新型排水系统代替碎石底基层的新型排水方式， 从上至下分别由基层、 新型排水系统、 路基组成. 试验B为传统排水方式， 从上至下分别由基层、 底基层、 路基组成.

试验过程中使用自制模拟降雨系统对路面结构试验持续降雨90 min， 降雨结束后将塑料覆盖膜置于模型箱顶部防止水分蒸发. 试验数据收集记录共计500 min(其中降雨过程90 min， 降雨停止后410 min)， 分别收集采用新型排水系统与传统排水方式情况下各结构层的吸力和导排水量. 吸力通过预先安装于路面结构内部的张力计测量， 各结构层排水量通过预先设计的排水路线进入储水量筒进行收集量测.

2.2 试验材料

模型试验中基层厚度为150 mm， 由水、 水泥、 砂、 碎石等材料按照设计的配合比制作而成. 底基层则采用级配碎石， 由0～10、 10～20、 10～35 mm三种不同尺寸类别的碎石组成， 厚度为120 mm. 路基土采用砂质粘土厚度为400 mm， 其最大干密度为1.60 g·cm-3， 最优含水量14.0%.

2.3 自制降雨系统

图3 自制降雨系统Fig.3 Artificial rainfall system

降雨模拟系统由降雨管道、 供水管线、 压力表、 手动控制阀门连接组成， 如图3所示. 模型箱上方设两排降雨管线， 间距10 cm， 固定于距离模型箱80 cm的高度处. 试验前， 对降雨管道进行打孔处理， 孔径约为0.5 cm， 相邻孔距为10 cm， 经过降雨管道的水将从预先处理的孔洞流出模拟降雨过程.

试验过程降雨强度由供水管道内部的水压力控制. 为了后期的水量平衡分析， 试验前须对降雨强度进行标定. 在降雨器下方0.8 m处， 均匀分布5个量杯， 打开阀门并测量记录0.5 h量杯内收集的自由水以及降雨稳定后压力表的读数.

2.4 监测装置

试验采用张力计测量路面结构内部的基质吸力变化， 其布置如图4所示. 试验A中布置张力计于基层和路基中的不同位置， 其中基层的张力计布置在新型排水系统上方40、 110 mm处， 路基的张力计布置下新型排水系统下方40、 110 mm处.

图4 张力计布置图(单位： mm) Fig.4 Tensiometer layout (unit： mm)

试验中须对各结构层的导排水量进行收集和测量， 试验A从面层至下依次收集的水量为： 面层径流量、 基层导排水量、 新型排水系统导排水量. 试验B从面层至下依次收集的水量为： 面层径流量、 基层导排水量、 底基层导排水量， 排水量收集方式如图5所示. 在试验模型制作过程中， 新型排水系统超出模型长度方向15 cm， 并进入塑料排水管中， 从而对新型排水结构排出的水进行集中收集测量. 基层和底基层水分收集是采用经过表面打孔处理的塑料排水管插入基层和底基层约10 cm. 为了防止塑料排水管的淤堵， 在塑料排水管外裹一层窗纱网.

图5 排水量收集Fig.5 Water collection

3 试验结果分析

3.1 不同排水方式下基层吸力和体积含水率

基层材料基质吸力变化如图6所示， 无论采用新型排水系统还是传统排水系统， 随着水分的入渗基层的吸力均发生下降. 新型排水系统于降雨后第8 min开始排水， 此时基层的吸力值为40 kPa， 采用新型排水系统， 基层处于非饱和状态便开始排水； 而传统排水方式在降雨后第20 min才开始排水， 此时基层已达到饱和状态. 采用新型排水系统时， 基层中3#、 7#吸力不断减小， 在第100 min达到吸力的最小值18. 采用传统排水系统的基层则在第20 min吸力降至零点. 在降雨停止后由于新型排水系统仍继续排水使得基层中的水分被不断排出， 基层的吸力发生回升， 基层逐步恢复干燥.

根据实测的吸力值结合文献[8]的基层土水特性曲线， 推算出基层的体积含水率. 基层材料体积含水率变化如图7所示， 采用新型排水系统基层始终处于非饱和状态， 在降雨阶段体积含水率发生小幅度增加， 在降雨结束后基层体积含水率缓慢下降. 而采用传统排水方式的基层在降雨后20 min已达到饱和状态.

采用新型排水系统时基层的体积含水率始终小于采用传统排水方式时基层的体积含水率， 且采用新型排水系统时基层体积含水率变化幅度小于采用传统排水方式时基层体积含水率变化幅度. 综上所述， 新型排水系统保持基层相对干燥， 降低基层湿度的变化幅度， 减少干湿循环带来的危害.

图6 基层材料基质吸力变化Fig.6 Matric suction in the base

图7 基层材料体积含水率变化Fig.7 Volumetric water content in the base

3.2 不同排水方式下路基吸力

路基土基质吸力变化如图8所示， 采用新型排水系统时处于路基土体的吸力基本不变， 即水分无法入渗至路基较深的位置. 采用传统排水系统的路基土， 降雨后30 min路基土的吸力基本保持在初始吸力附近， 随着水分不断入渗， 第30 min后路基土的吸力发生明显下降， 即水分已经入渗进入路基中， 在第40 min张力计2#、 6#的吸力值首先降至零点.

图8 路基土基质吸力变化Fig.8 Matric suction in the subgrade

图9 路基土体积含水率变化Fig.9 Volumetric water content in the subgrade

根据实测的吸力值结合文献[8]的路基土水特性曲线， 推算出路基的体积含水率变化. 路基土体积含水率变化如图9所示， 采用新型排水系统的路基土始终保持在初始体积含水率， 水分未入渗至路基土中. 而采用传统排水方式的路基土， 于第30 min后体积含水率明显增加， 此时水分已经入渗至路基中， 于第60 min路基土的体积含水率达到饱和体积含水率. 通过对比不同排水系统下路基吸力和体积含水率的变化， 可知采用新型排水系统能够有效防止水分子下渗至路基， 保证路基的干燥.

3.3 水量变化规律

试验过程以25 mm·h-1的降雨强度对路面结构持续降雨90 min， 其总降雨量达到20.25 L. 各结构层收集的排水量见表1， 试验过程收集到的表面径流量为1.69 L， 占降雨总量的8.35%， 绝大多数的水分进入路面结构内部. 由于试验过程未设置不透水面层， 不利于表面的径流发生， 更多的水分直接进入基层中. 基层由水泥稳定碎石组成， 其渗透系数较小， 故试验A、 B中基层排水量也有限.

从表1中可以看出， 传统排水系统主要依靠底基层的级配碎石排水， 其排水量为12.26 L(占降雨总量的60.54%)， 而新型排水方式依靠新型排水系统， 其排水量为15.30 L(占降雨总量的75.56%). 与传统排水方式相比， 新型排水系统排出的水量是传统排方式水量的1.25倍， 采用传统排水方式蓄积于路面结构基层内的水量是采用新型排水系统的3.6倍. 新型排水系统能够更快速有效排水， 在降雨结束后快速排出路面结构内部水分， 从而减少积滞在路面结构内部的水分.

表1 水量对比分析

4 结语

1) 采用新型排水系统基层处于非饱和状态下便开始排水. 新型排水系统于降雨后的第8 min开始排水， 此时基层的吸力值为40 kPa， 采用新型排水系统， 基层处于非饱和状态便开始排水； 而传统排水方式在降雨后第20 min才开始排水， 此时基层已达到饱和状态.

2) 新型排水系统能够防止水下渗至路基， 降雨过程路基土的吸力始终未发生改变， 保持在初始吸力值. 而采用传统排水方式的路基土被水分所湿润， 在第30 min路基土的吸力发生明显的下降， 此时水分已经入渗至路基土中.

3)新型排水系统排出的水量是传统排水方式水量的1.25倍， 可在降雨停止后更短时间内完成排水. 采用传统排水方式蓄积于路面结构基层内的水量是采用新型排水系统的3.6倍， 新型排水系统能够更快速有效排水， 在降雨结束后快速排出路面结构内部水分， 从而减少积滞在路面结构内部的水分， 提高路面结构基层承载性能.

[1] 唐勇斌, 徐国元, 龙翔, 等. 路面结构内部排水系统排水效果的数值分析[J]. 中外公路, 2016, 36(5): 26-30.

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(责任编辑： 蒋培玉)

Modeltestresearchontheperformanceofthenewpavementdrainagesystembygeocomposite

LIU Yuchuan1, MIAO Hongjie1, 2

(1. College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou， Fujian 350116, China；2. College of Jinshan, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou， Fujian 350002, China)

Based on unsaturated seepage theory, this paper proposes a new type of pavement drainage system, which is based on the use of geocomposite materials as drainage channel. From the top to the bottom part of the new drainage system is transport layer, capillary barrier layer and isolation layer. In this paper, the author uses unsaturated seepage theory to research the performance of new pavement drainage system . The model test is carried out. Comparing with the new drainage system and the traditional drainage method, model test monitors the pavement structure layer drainage volume and matrix suction. Model test result shows that the new drainage system can start draining when the base was in unsaturated state. The drainage capacity of the new drainage system is 1.25 times than the traditional drainage, and the new drainage system can be more rapid drainage, which can reduce the internal moisture of the pavement base layer and improve its bearing capacity.

pavement； drainage system； transport layer; unsaturated seepage; geocomposite

U416

A

10.7631/issn.1000-2243.2017.04.0577

1000-2243(2017)04-0577-05

2016-03-15

刘毓氚(1971-)， 教授， 主要从事环境岩土工程、 地下水控制与污染治理研究， liuyuchuan@fzu.edu.cn

福建省自然科学基金资助项目(2017J01466)； 福建省交通厅科技项目(201423)； 厦门市建设局科技项目(xjk2015-1-2)