路面结构内部排水系统设计与修筑

刘士远

(黑龙江省交通规划设计研究院集团有限公司,黑龙江 哈尔滨 150080)

0 前 言

随着交通基础设施建设规模的不断扩大,涉及公路功能性指标的质量标准和技术要求逐渐提高。其中,路面结构内部排水是否通畅对路面使用寿命和使用功能的影响相对显著。据有关调查[1,2],我国沥青路面和水泥混凝土路面的过早损坏往往与承重结构在水分浸入状态下持续通行重载车辆有关。当路面结构内部及其下部基础材料当中渗入的滞留水过多,将导致路面结构强度的降低和整体弯沉的增加,引发并加剧路面病害,如唧泥、错台、断裂、松散或坑槽,并使沥青混合料集料剥落、加速沥青胶结料的氧化等。在多雨地区和雨季集中的冰冻地区,这一现象尤其突出。因此,做好路面结构内部排水是解决这一问题的关键。

1 依托公路概况

1.1 绥满公路尚志至亚布力支线概况

绥满公路“尚志-亚布力”支线位于东经126°17′～129°08′、北纬44°30′～45°32′之间,所处区域公路自然区划为Ⅱ2区,即东北中部山前平原重冻区。路线途径张广才岭北部山地,地形起伏较大,鸡爪岗特征明显,海拔高度在500 m上下波动。沿线地表植被保持完好,一般以山坡坡脚为界,坡脚以上为林地,坡脚以下为水田,旱田较少。

路线所经区域为北温带大陆性气候。年均气温2.8 ℃,最高温度34.8 ℃,最低气温为-41 ℃;年均降水量691 mm,降雨期集中在6～8月;最大积雪厚度40 cm,最大冻深1.79 m;地面稳定冻结期自11月中旬开始,地面稳定解冻期为4月中旬。冬季以西南风为主导风向,最大风速22 m/s。路线所经地带公路易发生冻胀、翻浆[2,3]。

沿线地面表层、底层结构为新生代第四纪沉积层和残积层。地表土壤多为低液限黏土、风化砂砾、碎石土等,下层为花岗岩。

沿线河流漫滩区土层含水丰厚,土质松散,透水性良好,地下水位埋深较浅。

1.2 路面结构内部排水试验段

为探讨高等级公路沥青路面结构内部排水系统的设计和施工方法,观察使用效果,在绥满公路“尚志-亚布力”支线设计修筑了3段合计长度1 500 m的沥青面层下的沥青稳定碎石排水层试验路。其中第一段位于K76+000～K76+500,长度500 m,为原路面结构;第二段位于K76+500～K77+000,长度500 m,采用厚度6 cm的沥青稳定碎石排水层代替6 cm下面层;第三段位于K77+000～K77+500,长度500 m,采用厚度8 cm的沥青稳定碎石排水层代替6 cm下面层和2 cm的“6%水泥稳定风化砂砾+15%碎石”基层;第四段位于K77+500～K78+000,长度500 m,采用厚度8 cm的沥青稳定碎石排水层代替8 cm的“6%水泥稳定风化砂砾+15%碎石”基层,底基层调整为20 cm厚的“6%水泥稳定风化砂砾+15%碎石”。在各试验段设置路面边缘集水沟及排水管[2-4]。

2 路面结构内部排水系统的设计

2.1 路面结构

(1)原路面结构Ⅰ。

K76+000～K76+500,常规设计路面结构:4 cm中粒式沥青混凝土(AC-16Ⅰ)黑龙江调整型、5 cm中粒式沥青混凝土(AC-20Ⅰ)、6 cm粗粒式沥青混凝土(AC-25Ⅰ)、16 cm“6%水泥稳定风化砂砾+15%碎石”、16 cm“5%水泥稳定风化砂砾+10%碎石”、20 cm砂砾垫层。

(2)结构Ⅱ。

K76+500～K77+000,路面结构内部排水试验段:4 cm中粒式沥青混凝土(AC-16Ⅰ)黑龙江调整型、5 cm中粒式沥青混凝土(AC-20Ⅰ)、6 cm沥青稳定碎石排水层(层底设封层)、16 cm“6%水泥稳定风化砂砾+15%碎石”、16 cm“5%水泥稳定风化砂砾+10%碎石”、20 cm砂砾垫层。

(3)结构Ⅲ。

K77+000～K77+500,路面结构内部排水试验段:4 cm中粒式沥青混凝土(AC-16Ⅰ)黑龙江调整型、5 cm中粒式沥青混凝土(AC-20Ⅰ)、8 cm沥青稳定碎石排水层(层底设封层)、14 cm“6%水泥稳定风化砂砾+15%碎石”、16 cm“5%水泥稳定风化砂砾+10%碎石”、20 cm砂砾垫层。

(4)结构Ⅳ。

K77+500～K78+000,路面结构内部排水试验段:4 cm中粒式沥青混凝土(AC-16Ⅰ)黑龙江调整型、5 cm中粒式沥青混凝土(AC-20Ⅰ)、6 cm粗粒式沥青混凝土(AC-25Ⅰ)、8 cm沥青稳定碎石排水层(层底设封层)、20 cm“6%水泥稳定风化砂砾+15%碎石”、20 cm砂砾垫层。

结构Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的结构内部排水路段均设置路面边缘排水系统。在路面边缘透水基层下设置集水沟,集水沟的左右侧面和底部内衬防水型土工布,并在土工布表面喷洒一层乳化沥青,以强化防水,避免集水沟中的水分渗入路基等,然后填充砂砾。集水沟汇集的流动水,由φ50 mm、横向外倾坡度5%的PVC集水管(或采用相同规格尺寸的侧面不透水、内部丝绕成型的土工排水管材成品)引至边沟或边坡坡面以外。

2.2 沥青稳定碎石排水层边缘排水设施

(1)纵向集水沟。

在沥青稳定碎石排水层边缘设置纵向集水沟,集水沟横截面尺寸为30 cm×30 cm,侧面和底部敷设防水土工布并喷洒一层乳化沥青防止渗水,集水沟底部铺设以丝绕方式成型的多空隙塑料透水管,并回填砂砾。在透水管的侧面,纵向间隔5 m与横向排水管衔接。

(2)横向排水管。

每隔5 m设置φ5 cm的横向PVC排水管(或侧面不透水、内部丝绕成型的土工排水管材)。横向排水管外倾坡度5%并伸出路基之外,伸出路基边坡表面不少于10 cm,出水管出口端内长30 cm应填充滤排水无纺土工织物(如使用内部丝绕成型的排水管,则无需填充)。

3 主要原材料与技术指标

3.1 面层沥青

面层沥青采用AH-110重交通道路石油沥青,其技术指标要求如表1所示。

表1 面层沥青主要技术指标

沥青稳定碎石排水层采用AH-90改性沥青,技术指标要求如表2所示。

3.2 封层沥青

封层沥青使用乳化沥青PC-2、PA-2,用量0.7～1.1 L/m2。也可以使用液体石油沥青AL(M)-1、AL(M)-2、AL(S)-1、AL(S)-2,用量0.6～1.1 L/m2。

结构Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的封层是在沥青稳定碎石排水层的下层表面喷洒一层橡胶乳化沥青,再铺一层防水土工布,土工布之上再喷洒一层橡胶乳化沥青。封层乳化沥青每次的用量为0.4～0.6 L/m2。

封层乳化沥青的技术指标要求如表3所示。

表3 封层用橡胶乳化沥青主要技术指标

3.3 集料

根据规范要求,沥青混合料采用的碎石应当具备良好的抗压、抗磨性能, 需要选用反击式或者锤式破碎机生产的机轧碎石。集料须干燥、洁净、无风化、无杂质。对沥青混合料集料的技术指标要求如表4所示[4,5]。

表4 沥青混合料集料的主要技术指标

4 面层材料级配范围

4.1 沥青稳定碎石排水层

沥青稳定碎石排水层的沥青用量为3.5%,对应的级配范围及设计值如表5所示。

表5 沥青稳定碎石排水层级配

4.2 面层AC-16Ⅰ黑龙江调整型、AC-20Ⅰ、AC-25Ⅰ沥青混合料级配

路面面层AC-16Ⅰ黑龙江调整型、AC-20Ⅰ、AC-25Ⅰ沥青混合料的沥青用量为5.2%,对应的级配范围如表6所示。

表6 面层AC-16Ⅰ黑龙江调整型、AC-20Ⅰ、AC-25Ⅰ级配

4.3 水泥稳定风化砂砾

水泥稳定风化砂砾的级配范围如表7所示。

4.4 未筛分碎石

未筛分碎石的级配范围如表8所示。

表8 未筛分碎石级配

5 结构层沥青混合料的碾压

5.1 沥青混合料的碾压

(1)初压。

首先使用8～10 t双钢轮轻型压路机或光轮压路机在混合料摊铺后温度较高时开始初压,钢轮的线压力不应小于350 N/cm。碾压速度保持在1.5～2.0 km/h,碾压2遍,碾压过程中,混合料不能出现推移或开裂。碾压路径应从路面外侧向中间逐步过渡,相邻的碾压轮迹须重叠1/3～1/2轮宽,最后碾压路中线部分。如果是单幅碾压,需要从路面低侧向高侧过渡,压完单幅为碾压一遍,并且每条碾压带的折回点位都要等间距错开。当次碾压完成进行第二遍碾压时,用压路机将所有错开的折回点位打斜压平。初压后应立即检查平整度、路拱、高程等,符合要求方可进行下一步工序。

(2)复压。

初压完成后,应紧接着使用双钢轮振动压路机进行复压。碾压速度4.0 km/h,宜采用45～50 Hz的振动频率,0.30～0.55 mm的振幅,并根据混合料的种类、温度及厚度及时调整振动频率和振幅,在层次较厚时采用较高的频率和较大的振幅,相邻碾压轮迹的重叠宽度为10～20 cm。在倒车时应首先停止振动,并在反方向运动开始后重新启动振动。碾压的遍数应由试压确定,一般为4～6遍,无明显轮迹。

(3)终压。

复压完成后紧接着进行终压,终压使用胶轮压路机或关闭振动的钢轮振动压路机,碾压遍数不少于2遍且无轮迹,碾压结束时混合料的温度不应低于70 ℃。

施工,排水层沥青稳定碎石混合料初压、复压、终压的温度分别控制在130～150 ℃、110～130 ℃、90～110 ℃。

5.2 碾压时的重点注意事项

(1)当使用平衡梁时,必须紧跟在摊铺机之后碾压平衡梁下的两行轮印。

(2)压路机不得随意停顿,而且停机时应停靠在硬路肩上或倒到后面温度低于70 ℃的地方,并且再起步时,要把停机造成的轮迹碾压至消失。

(3)压路机碾压过程中有沥青混合料黏轮现象时,可向碾压轮洒水或加洗衣粉的水,严禁洒柴油,黏轮严重时需指定人工用铁锹清理干净,同时修补黏起的路面。

(4)压路机应由路面较低的一侧向较高的一侧错轮碾压。

(5)压路机的驱动轮应面向摊铺机,以避免或减少混合料出现碾压波纹和热裂缝。

(6)变换碾压路线时需要在碾压区内较冷的一端改换路线。

6 试验路观测结果

6.1 排水层渗水试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的规定进行排水层沥青稳定碎石混合料的渗水试验。在沥青稳定碎石排水层碾压成型后,在不同路面结构的排水层上,在距离路面左、右边缘1.5 m及路面中线上各选6点进行渗水试验,试验结果如表9所示。

表9 路面结构排水层各测点的渗水系数

根据表9的试验结果,3段试验路沥青稳定碎石排水层的渗水效果良好。在排水层上用人工洒水,横向排水管出水顺畅。路面完工后,曾对横向排水管出水口进行跟踪调查,当年未观察到明显的排水迹象,经分析,与路面完工不久,路面无开裂、渗水等病害有关。两年后的数次观察,发现出水口位置有明显的潮湿痕迹,说明路面结构内部排水系统已经开始发挥作用。

6.2 路面弯沉试验

路面完工后测试路表弯沉,检测频率为1次/20 m/车道。表10是各试验段路面弯沉检测数据的综合统计结果。

表10 路面弯沉检测数据统计结果

由表10可知,各试验段的路面弯沉实测值相差很小,结构Ⅱ、结构Ⅲ、结构Ⅳ是采用沥青稳定碎石排水层的部分柔性基层,根据排水层位置的不同,路面弯沉值有所不同,但完全能够满足竣工验收对弯沉值的要求。

7 结 论

(1)采用沥青稳定碎石混合料排水层替代部分路面结构层,以构建路面结构内部排水系统的方案是可行的。

(2)采用的3种排水层设置层位,对整个路面结构强度和刚度没有明显影响,对路表弯沉值及层底拉应力的影响差别不大,可以根据实际路况需要选取不同的设置层位。

(3)排水层混合料的摊铺、碾压,需要对碾压时间、温度进行严格掌控,安排好不同工序的衔接。排水层碾压完成后应尽快开始下一层的铺筑,同时严格控制黏层油的洒布量。