寒冷地區(qū)路基水損壞的影響因素及排水設(shè)計(jì)分析

白云龍

[摘要]文章對(duì)寒冷地區(qū)路基水損害的影響因素進(jìn)行了總結(jié)，從而采取有效的排水設(shè)計(jì)方案，從排水設(shè)施、結(jié)構(gòu)內(nèi)部、邊緣排水和排水層排水等角度做好排水設(shè)計(jì)，確保公路路基的質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]寒冷地區(qū)；路基水損壞；排水設(shè)計(jì)

寒冷地區(qū)的公路路基地面及地下水排水設(shè)施結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，要以預(yù)防、引導(dǎo)和降低水分滲透為基礎(chǔ)原則，以做到公路路基有效的排水、截流等排水系統(tǒng)措施。

1寒冷地區(qū)路基水損壞對(duì)公路的性能影響

1.1路基下沉機(jī)理及對(duì)公路性能影響分析

公路由于暴露在自然環(huán)境下，會(huì)受到來(lái)自多方的病害影響，其中水損害是不容忽視的嚴(yán)重病害，它主要由不良地質(zhì)作用引發(fā)，即當(dāng)公路路基在地面水、地表水的水溫及荷載綜合作用影響下，路基就會(huì)產(chǎn)生一定程度的沉陷現(xiàn)象，這種現(xiàn)象一般發(fā)生于擁有軟土土質(zhì)的公路路基環(huán)境中。因?yàn)檐浲敛粔蛎軐?shí)且承載能力低下，所以在水及路基自重的雙重作用下，公路地基本身會(huì)出現(xiàn)向兩側(cè)擠出的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致路基下沉。

1.2凍脹機(jī)理及對(duì)公路性能影響分析

引發(fā)公路路基下沉的兩種主要病害就是翻漿和凍脹，本文主要討論凍脹病害。凍脹病害多發(fā)生于北方寒冷地區(qū)和西部?jī)龅貐^(qū)。凍脹病害離不開(kāi)水的作用，當(dāng)北方寒冷地區(qū)進(jìn)入10月深秋凍結(jié)期間，自然溫度下降配合地面水、地下水就會(huì)促使公路產(chǎn)生不均勻凍脹現(xiàn)象，如此，其結(jié)果就是路面出現(xiàn)高低坑洼而喪失平坦度，為行車(chē)安全帶來(lái)一定阻礙，甚至由于路況不佳而引發(fā)交通事故。不僅如此，不均勻凍脹所導(dǎo)致的路基不平坦還會(huì)誘發(fā)某些混凝土剛性路面的裂縫現(xiàn)象，而且該裂縫現(xiàn)象也會(huì)呈縱向發(fā)展趨勢(shì)。再加之北方地區(qū)秋季晝夜溫差變化較大，所以，公路路基的反復(fù)凍融也會(huì)加劇路面凍脹病害，使裂縫加寬甚至出現(xiàn)破碎狀況。實(shí)質(zhì)上，公路路基凍害的根源還在于路基表面土孔隙中的冰晶體融化。因?yàn)楫?dāng)外界溫度下降時(shí)，土孔隙中的自由水就會(huì)首先凍結(jié)形成冰晶體，在土孔隙中與冰晶體直接接觸的薄膜水會(huì)受到它結(jié)晶力的影響，將路基水分遷移到冰晶體之上形成新的凍結(jié)。此時(shí)的路基土顆粒水膜就會(huì)逐漸變薄，而薄膜水內(nèi)的離子濃度又會(huì)不斷增加，產(chǎn)生一種滲透壓力差。初凍過(guò)后，氣溫在晝間有所回升，此時(shí)溫度在-3℃～0℃左右停留，聚冰層又會(huì)逐漸融化，這就使得凍脹部分路基土孔隙中的冰晶體也隨之融化。此時(shí)路基由于不能將聚冰層所融化的大量水分及時(shí)排出，使其處于持續(xù)的潮濕軟弱狀態(tài)，當(dāng)行車(chē)荷載反復(fù)在公路表面作用后，就會(huì)導(dǎo)致公路路基的裂縫、車(chē)轍、鼓包甚至沉降坍塌。

2公路路基排水設(shè)施設(shè)計(jì)的適用性分析

目前，公路路基排水設(shè)施的設(shè)計(jì)類(lèi)型眾多，一般包括路基表面地面水排水、路基內(nèi)地下水排水和路面結(jié)構(gòu)內(nèi)排水，本文主要介紹路面結(jié)構(gòu)內(nèi)排水。

2.1路基排水設(shè)施設(shè)計(jì)的基本要求

（1）路基排水設(shè)施設(shè)計(jì)的基本原則。路基排水的關(guān)鍵就是要將工作區(qū)內(nèi)的土基含水量降到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。因?yàn)槿绻粱窟^(guò)大，就會(huì)引發(fā)土體潮濕、土質(zhì)松軟等現(xiàn)象，進(jìn)一步導(dǎo)致土體強(qiáng)度下降、基身沉降滑動(dòng)甚至是邊坡坍塌，嚴(yán)重影響交通行車(chē)安全。所以此時(shí)要根據(jù)工作區(qū)沿線(xiàn)的自然降水狀況以及地質(zhì)水文狀況來(lái)進(jìn)行有針對(duì)性的排水設(shè)施設(shè)計(jì)施工，形成良好的排水體系，確保路基強(qiáng)度與邊坡穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要首先考慮地面水?dāng)r截問(wèn)題，杜絕包括停積、漫流、下滲等現(xiàn)象的發(fā)生，而針對(duì)地下水部分，則要考慮如何截流、疏干和合理引導(dǎo)，保證地下水不會(huì)為路基帶來(lái)過(guò)大壓力。

（2）路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水設(shè)計(jì)原理。路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水相對(duì)復(fù)雜，因?yàn)槁访嫠钟邢喈?dāng)一部分會(huì)沿路面接縫處進(jìn)入路面混合料孔隙、路肩接縫處。一旦地下水位升高，地面水就會(huì)配合地下水一起通過(guò)毛細(xì)孔隙滲透到路面結(jié)構(gòu)下方。當(dāng)北方地區(qū)進(jìn)入寒冷冰凍期，路床上部自由水就會(huì)逐漸進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)下部。此時(shí)應(yīng)該將路基路面設(shè)計(jì)為透水性體系，通過(guò)路基兩側(cè)路肩結(jié)構(gòu)來(lái)將多余的地面自由水引導(dǎo)排除。

2.2路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了避免凍脹問(wèn)題的出現(xiàn)，必須馬上排除滯留在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的自由水。為此，本文給出兩種綜合排水系統(tǒng)：（1）邊緣排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，邊緣排水系統(tǒng)是設(shè)置在沿路面邊緣位置的，主要沿路面結(jié)構(gòu)的外側(cè)邊緣進(jìn)行設(shè)置，是典型的縱向邊緣排水系統(tǒng)。首先分析自由水深入路面結(jié)構(gòu)的路徑，它會(huì)沿著路面結(jié)構(gòu)層向透水層、層問(wèn)孔隙橫向流淌，然后最終流人透水性材料所組成的縱向排水溝。此時(shí)在問(wèn)隔一定距離位置要設(shè)置橫向出水管，將自由水直接引導(dǎo)排出路基范圍。這種邊緣排水系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)就是能夠靈活利用于路基基層，包括某些透水性不甚理想的水泥混凝土公路路基中。（2）排水層排水設(shè)計(jì)，排水層排水系統(tǒng)針對(duì)路面結(jié)構(gòu)所采用的是透水性材料，當(dāng)有水分滲入路面結(jié)構(gòu)時(shí)，水分會(huì)首先通過(guò)豎向滲流進(jìn)入排水層，再?gòu)臋M向滲流位置逐漸進(jìn)人縱向排水管及排水溝。為了確保排水系統(tǒng)順暢，還要在間隔排水管、排水溝一定距離位置設(shè)置出水管來(lái)引導(dǎo)水分排除出路基，再在其下方設(shè)置排水基層。因?yàn)橥杆圆牧蠞B流速度較快且排水效果良好，所以在國(guó)內(nèi)許多地區(qū)的國(guó)道高速公路上都會(huì)采用這種排水方案。當(dāng)然，該方案存在一定弊端，那就是由該排水系統(tǒng)所排出的水流會(huì)極易沖刷到路基坡面，如果此時(shí)坡面孔隙有植物或其他雜物阻塞時(shí)，排水就無(wú)法順暢排出，造成路基坡面被反復(fù)沖刷，在冬季極易形成凍脹聚冰層。為了解決這一問(wèn)題，可以考慮在排水基層位置選擇那些含少量細(xì)料或不含細(xì)料的開(kāi)級(jí)級(jí)配碎石或砂礫石集料，比如應(yīng)用填隙碎石墊層就能起到一定的路基排水效用。

3結(jié)語(yǔ)

在北方寒冷地區(qū)，公路路基一定要做好地面水及地下水排水設(shè)施結(jié)構(gòu)，并且充分考慮由于水分滲透、凍脹所帶來(lái)的病害影響，主要以預(yù)防、引導(dǎo)和降低水分滲透為基礎(chǔ)原則，做到行之有效的排水、截流等排水系統(tǒng)措施。