缝隙透渗水路面的结构层材料选择与应用设计技术研究

陈羲，周骏

（南昌市公路勘察设计院，江西 南昌 330077）

0 引言

缝隙透渗水型路面是透水路面的一种常见结构，其结构层自下而上由基础层、找平层和混凝土路面砖面层组成。与其他透水路面相比，其最大的特点是路面砖间存在比较宽的缝隙，内部填充了砾碎石料、碎石等透水材料，使雨水能够迅速渗透到路面结构中。国内外目前对于缝隙透渗水型路面的设计还没有形成统一成熟的设计理念与方法，一定程度上仍处于经验设计阶段，缝隙透渗水路面的水文功效与承载力若匹配不佳，建成不久就可能发生一系列工程病害，影响道路使用功能。本研究阐述透渗水路面的重点设计控制指标和设计过程，重点探讨透渗水路面结构层材料选择与应用相关设计技术要点，为同类路面设计应用提供技术参考。

1 透渗水路面的重点设计控制指标

1.1 雨水管理控制设计指标

设计建设透渗水路面，主要是基于当代城市路面建设大力改进雨水管理方式和理念，从传统的快速排水、适时就近排水、快速排完，转变为“渗水、滞水、蓄水、净水、用水、排水”的雨水低影响设计方式。为构建城市路面工程的良好的雨水管理和循环过程，透渗水路面设计应合理参考和选择设计控制目标，从雨水资源利用、径流总量控制、高峰径流控制、径流污染控制等方面开展透渗水路面设计。

渗水铺装是透渗水路面的主要功能结构。在设计过程中，应严格遵守环境保护、循环利用自然资源的工程理念，结合道路设计标准，尽可能因地制宜设计配套渗水铺装，系统设计应用渗水软管、雨水格栅、盲渠、植草沟、下沉式绿地等低雨水影响功能系统，采用透渗水、蓄水、调整水、净化水等措施，降低道路径流，使污染物排放得到有效控制，完成透渗水路面设计和控制的目标。

1.2 功能性结构设计指标

目前，透水路面设计还没有为业界所公认的设计方法，因此在路面设计技术指标的选取上，可以参考混凝土路面或沥青路面的技术指标和设计方法，并根据透水路面结构应用的路面基材形式确定相应的技术指标，见表1所示。

表1 不同基层类型路面设计指标

2 缝隙透渗水路面的设计过程

在透渗水路面设计过程中，承载功能和透水功能是两个相对矛盾的指标，因此设计重点在于找到两者的平衡点，最大限度缓解两者的矛盾，制定既符合透渗水需求，又有足够载承力功效的设计方案。

渗水、排水、蓄水等水文功效是渗水性路面结构设计的首要考虑因素，这些因素直接影响透渗水路面功效的实现与发挥，这也是该透水路面与普通路面的最大区别。因此缝隙透渗水路面的设计过程应为：

（1）依据区域地质、气候、水文等场地条件，开展道路的水文功效设计；

（2）基于道路服务功能和交通流量，确定路面载荷级别。如果路面载荷级别较轻且只有少数车辆通过，路面结构可按相关技术规范推荐参数或经验方法设计。如果交通流量比较大，结构的承载力应以渗水设计为基础开展设计和检验，以确保最终方案的可行性。

3 透渗水路面结构层材料设计选择与应用

3.1 面层材料的设计选择与应用

（1）质量基本标准

路面与车辆、行人和大气环境直接发生接触，承受交通载荷的同时又遭受环境侵蚀，因此透渗水路面设计必须在足够的承载能力、耐磨性能和透渗水性能间寻求优化组合。缝隙透渗水路面的面层通常采用厂制混凝土砖作为面层铺筑建材。在设计选择过程中，必须确保所有混凝土砖符合承载能力、耐磨性能和透渗水性能需求。

厂制路面砖的型制精度对于缝隙透渗水路面的紧密连锁非常重要。如果砖体型制误差过大，在铺装过程中逐渐积累的偏差，会造成很多缝隙不符合路面美观设计需求，路面功效也会受到很大影响。缝隙透渗水混凝土路面砖型制规格的许可误差见表2所示。

表2 缝隙透渗水混凝土路面砖型制规格许可误差技术参数 单位：mm

路面砖的强度对路面的结构功效影响较小，但是如果路面砖强度过低，在施工和应用过程中很容易过早损坏，因此也需要限制其强度。缝隙透渗水路面砖抗压强度分CC40、CC50和CC60三个级别，抗弯强度通常分Cf4.00、Cf5.00、Cf6.00三个级别。应依据道路级别与交通流量选择适宜的面砖级别。

路面用砖的持久性标准主要参考2个技术指标，抗冻性与耐磨性。抗冻性是评价混凝土制品持久性能常用的技术指标。面砖在使用中面临磨损是普遍和必然的现象，对路面的粗糙度、平整度以及道路美观的影响较大。路面的强度和物理功效应满足表3与表4的需求。

表3 缝隙透渗水路面砖的物理性能

表4 缝隙透渗水路面砖强度参数 单位：MPa

（2）型制、厚度与铺筑

面砖型制对缝隙透渗水路面面层的互锁结构的稳定和路用功效非常重要。不同型制的砖块所铺设的路面层的完整性和扩散载荷的能力不同。一般来说，用带凸筋或间隔筋等型制轮廓的路面砖铺设路面，结构稳定性更好，能够构成充分互锁，不足是此类路面砖对制作技术和成本需求相对较高。因此，需要依据路面应用情况选取合适路面砖型制。为便于选择路面砖，依据结构功效把型制分为以下三类：

A型砖是四面互锁的铺装砖，有复杂的尺形轮廓，可相互嵌入，可完成四面完全互锁，可以同时抵御平行于横轴和纵轴的相对移位。

B型砖为两侧互锁的铺装砖。路面砖的延伸侧设置有间隔筋、凸筋等尺形轮廓，仅能完成局部互锁，可以抵御一个轴向的平行于路面的相对移位。

C型砖边缘平直，无尺形轮廓，一般为长方形或正方形。

路面载荷实验可知，A型砖的结构功效最好，C型砖的结构功效相对较差。

砖厚对路面荷载功效亦存在影响。厚度决定于路面需要承受的交通载荷。如果砖厚偏小而车流量较大，则易于导致路面砖毁损，会影响路面使用功效。轻级交通量路面，最小砖厚度可选择60mm，对于需要承载货车路面，最小砖厚需提升至80mm，载重车辆多的路面，最小砖厚以不低于100mm为宜。城镇道路混凝土路面砖的最小厚度参数为：步行街、人行道最小砖厚60mm，停车场、广场、支路最小砖厚80mm，大型停车场最小砖厚100mm。

在某些状态下，需要计算出所铺路面砖的最小厚度，以更准确、更经济地选择合适的路面砖。采取水泥稳定砾碎石料、沥青稳定砾碎石料、级配砾碎石料等半刚性基础层或柔性基础层的互锁砌块路面，需将挠度设计值作为整体路面刚度的设计指标，并应考虑沥青底层底部拉应变、半刚性材料基础层底部拉应力、疲劳开裂等技术指标。确定沥青混凝土结构层的厚度设计后，可依据如下公式计算确定砖厚度。

式中：hs为路面块体设计厚度（mm）；h1为沥青混凝土结构层厚度（mm）；a为计算系数，取值区间通常在0.7～0.9，交通量较大、道路等级较高、块体面积相对较大时，一般需取较高值，块体面积和交通量较小时，可考虑取低值。

对于渗水混凝土、贫混凝土等刚性基础层路面，确定混凝土面层厚度，应以无出现疲劳断裂作为技术指标，于最大温度梯度与最大轴载联合影响下，以不易导致极限断裂作为校核技术指标，设计面层体块厚度。厚度设计确定之后，可按下述公式计算设计路面砖厚度。

式中：hs为路面块体设计厚度（mm）；h1为沥青混凝土结构层厚度（mm）；b为计算系数，取值区间通常在0.50～0.65，交通量较大、道路等级较高、块体面积相对较大时，一般需取较高值，块体面积和交通量较小时，可考虑取低值。

路面砖的铺装形式对路面的载承功效的影响作用，主要体现在路面的抗水平蠕变能力上。通常采取“一字型”或“人字型”设计，其中“人字型”铺设，路面的稳定性较好。对于需要承受重载较多或大型工业区的路面，首选“人字型”铺装设计。

3.2 找平层和填缝材料的设计选择

找平层位处基础层和面层间，在透水路面设计中，该结构层可起这样两个主要作用，一是平整基础层顶面，以为上面层铺设混凝土砖提供功效良好的承载层；二是提供适当的承载层形变，以为铺面砖紧密互锁提供界面条件。找平层可缓冲和吸收路面的冲击载荷，部分过滤入渗污物的作用。

填缝和找平层材料的性能对整个透渗水路面的结构功效影响很大。选材不当有可能使路面结构的承载能力受到影响，从而引发一系列路面工程病害。缝隙透渗水型路面的找平层和填缝材料一般采用中粗砂、小颗粒碎石等粒状粒料。如此设计的优点为：①粒状材料具有良好的渗透性，能迅速使雨水渗入路面结构中；②发生材料堵塞后易于更换。缺点是在轮胎负压、风雨等外在要素的作用下，粒状物料容易跑偏，导致路面结构不稳定。

硬质水泥砂浆适合用作透水路面填缝和找平层材料。与普通水泥砂浆相比，硬质水泥砂浆的水灰比更小，降低了复合料的水分含量。由于复合料以水泥为胶结料，稳定性较佳，但水化后的胶结料存在堵塞孔隙的可能性，因此对砂的粒度需求很高，粒度低于0.63mm应严格控制在5%以内，其渗透常数一般为1mm/s。可依据路况选择合适的找平层和填缝材料。多雨地区路面透水性要求标准较高，可选择应用单粒砾碎石料或中粗砂等颗粒材料。如果路面需要承载更多的交通载荷，应选择硬质水泥砂浆作为填缝和找平层材料。

3.3 基础层材料的设计选择与应用

基础层材料的设计选择，应按照混凝土沥青路面的相关规范进行设计。基础层可分为水泥混凝土、沥青结合料、稳定性无机结合料和粒料四种形式。为保证结构强度，砾碎石料磨损率不超过40%，CBR值不低于80%。同时，为满足一定的蓄排水需求，开级配砾碎石料的空隙率不应低于15%。

粒料基材的级配是影响路面承载能力和蓄水功效的关键要素。如果级配设计不够合理，粒料不能充分压密和嵌缝，路面承载力将受到严重影响。但盲目追求强度，选用压密度很高的传统级配粒料，又会造成基础层孔隙率不足，降低路面蓄水功效。因此应综合承载力、渗透性和蓄水能力开展路面设计，选取合适的粒料级配。间断级配粒料，可选择选用4.75～13.2mm粒度范围。

由于基础层材料的粒度远大于找平层材料，故缝隙透渗水路面找平层粒料有向基础层流失的可能，进而造成路面结构破坏。为克服这一不足，透渗水路面设计时，除层间可增加土工织布层外，在层间粒度设计选择上，还应满足D50基材/D50找平料大于2，D15基材/D50找平料小于5。

Dx指存在x%的更细粒度料。设计中参考该标准，可以确定基础层和找平层材料的级配设计是否安全可靠，最大限度防止缝隙透渗水路面结构层间发生粒料流失或离析。

4 结论

本文对缝隙透渗水路面的结构层材料选择与应用设计进行了研究，主要得到如下结论：

（1）缝隙透渗水路面雨水管理技术指标主要有三种：径流峰值控制目标、径流污染控制目标和径流总量控制目标。设计时应着重选取其中一种或者多重，并因地制宜明确首选技术指标和次要技术指标。

（2）在缝隙透渗水路面设计中，应注意选取承载功效和渗水功效二者平衡点，在符合水文功效基础上，对结构的承载力开展设计检验，制定缝隙透渗水路面的结构设计方法。

（3）铺装路面砖的厚度可用等效代换法计算。找平层和填缝通常选用同一种渗水材料，常用材料有砾碎石料、碎石和硬质水泥砂浆三种。粒状基材的CBR值不应低于80%。