路面結(jié)構(gòu)新型排水系統(tǒng)性能模型試驗研究

劉毓氚 ， 繆宏杰， 2

(1. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 福建 福州 350116； 2. 福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院， 福建 福州 350002)

路面結(jié)構(gòu)新型排水系統(tǒng)性能模型試驗研究

劉毓氚1， 繆宏杰1， 2

(1. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 福建 福州 350116； 2. 福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院， 福建 福州 350002)

基于非飽和滲流理論， 提出采用復(fù)合土工合成排水材料作為排水通道的路面結(jié)構(gòu)新型排水技術(shù). 以室內(nèi)模型試驗， 對比分析采用新型排水系統(tǒng)和傳統(tǒng)排水方式時， 路面各結(jié)構(gòu)層排水量以及基質(zhì)吸力變化. 模型試驗研究結(jié)果表明， 新型排水系統(tǒng)在基層處于非飽和狀態(tài)開始排水， 其排出的水量是傳統(tǒng)方式排水量的1.25倍， 可減少積蓄于基層的水量， 提高基層承載性能.

路面結(jié)構(gòu)； 排水系統(tǒng)； 水力傳導(dǎo)層； 非飽和滲流； 復(fù)合土工合成材料

0 引言

傳統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)排水采用在基層下方設(shè)置級配碎石層作為排水通道， 設(shè)計基于“time-to-drain”的排水模式， 即當(dāng)基層材料接近飽和時才開始排水[1-3]. 由于傳統(tǒng)排水設(shè)計無法實現(xiàn)非飽和狀態(tài)下排水， 使得路面結(jié)構(gòu)基層常處于飽和狀態(tài)， 影響路面結(jié)構(gòu)承載性能. Heckel[4]提出基于飽和滲流的傳統(tǒng)排水設(shè)計并不能完全有效降低水對路面結(jié)構(gòu)的不利影響， 也無法保證提高路面結(jié)構(gòu)的排水性能和壽命， 事實上還有可能降低路面性能和壽命.

順應(yīng)社會發(fā)展新潮， 復(fù)合土工合成材料施工簡單、 排水能力強， 因此不少學(xué)者將復(fù)合土工合成材料應(yīng)用于土工構(gòu)筑物排水中[5-6]. Stormont等[7]開展一系列不同類型路基土的室內(nèi)模型試驗， 結(jié)果表明， 當(dāng)復(fù)合土工材料置于路基和基層之間時， 路面結(jié)構(gòu)基層發(fā)生水平排水， 水分無法下滲至路基， 但是水分在基層和復(fù)合土工材料交界面處發(fā)生積滯. 為進(jìn)一步研究復(fù)合土工合成材料對于路面結(jié)構(gòu)的承載性能影響， Bahador等[8]采用SEEP/W和FLAC軟件進(jìn)行滲流場和應(yīng)力場耦合分析復(fù)合土工合成材料對于道路的排水性能和力學(xué)性能的影響. 數(shù)值模擬結(jié)果表明， 使用復(fù)合土工材料路基孔壓增加8 kPa， 基層孔壓降低3.6 kPa； 對于瀝青道路， 復(fù)合土工合成材料減少其總塑性變形55%.

近年來， 國內(nèi)外許多學(xué)者研究復(fù)合土工合成材料在鐵路、 路堤[9]等施工中的應(yīng)用， 然而復(fù)合土工合成材料應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)的排水研究甚少. 本文應(yīng)用非飽和滲流理論深入研究采用新型排水系統(tǒng)的路面結(jié)構(gòu)排水性能， 開展室內(nèi)模型試驗， 對比分析采用新型排水系統(tǒng)和傳統(tǒng)排水方式時， 路面各結(jié)構(gòu)層排水量以及基質(zhì)吸力變化.

1 路面結(jié)構(gòu)新型排水系統(tǒng)

圖1 路面結(jié)構(gòu)新型排水系統(tǒng)Fig.1 New pavement drainage system

基于非飽和滲流理論， 提出采用復(fù)合土工合成排水材料作為排水通道的路面結(jié)構(gòu)新型排水技術(shù)， 如圖1所示. 路面結(jié)構(gòu)新型排水系統(tǒng)由三部分組成， 從上而下依次為水力傳導(dǎo)層、 毛細(xì)防滲層和隔離層， 旨在非飽和狀態(tài)下將入滲路面結(jié)構(gòu)基層的水快速有效排除， 減輕入滲水對路面結(jié)構(gòu)損傷.

水力傳導(dǎo)層采用非編織土工織物， 非編織土工織物能夠在基質(zhì)吸力處于中低值時保持較高的水力傳導(dǎo)系數(shù)[9]. 水力傳導(dǎo)層主要作用為在路面結(jié)構(gòu)基層處于非飽和狀態(tài)下進(jìn)行側(cè)向排水. 水力傳導(dǎo)層還具備一定隔離作用， 防止周圍土體進(jìn)入土工網(wǎng)的孔隙中. 毛細(xì)防滲層由具備大而規(guī)則孔隙的土工網(wǎng)組成， 其進(jìn)水值水頭只有幾毫米. 故其與水力傳導(dǎo)層形成毛細(xì)阻滯效應(yīng)， 阻隔上層自由水的下滲. 隔離層采用非編織土工織物， 有效隔離下層土體與土工網(wǎng)的孔隙， 主要用于防止新型排水系統(tǒng)淤堵， 從而保證其長期有效性.

2 室內(nèi)模型試驗

2.1 試驗方案

圖2 對比試驗設(shè)計圖 (單位： mm)Fig.2 Contrast test design (unit： mm)

室內(nèi)模型試驗如圖2所示， 試驗中所選用的路面結(jié)構(gòu)形式、 尺寸厚度以及所用材料均參考福建省常用路面結(jié)構(gòu)形式[10]. 試驗A為使用新型排水系統(tǒng)代替碎石底基層的新型排水方式， 從上至下分別由基層、 新型排水系統(tǒng)、 路基組成. 試驗B為傳統(tǒng)排水方式， 從上至下分別由基層、 底基層、 路基組成.

試驗過程中使用自制模擬降雨系統(tǒng)對路面結(jié)構(gòu)試驗持續(xù)降雨90 min， 降雨結(jié)束后將塑料覆蓋膜置于模型箱頂部防止水分蒸發(fā). 試驗數(shù)據(jù)收集記錄共計500 min(其中降雨過程90 min， 降雨停止后410 min)， 分別收集采用新型排水系統(tǒng)與傳統(tǒng)排水方式情況下各結(jié)構(gòu)層的吸力和導(dǎo)排水量. 吸力通過預(yù)先安裝于路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的張力計測量， 各結(jié)構(gòu)層排水量通過預(yù)先設(shè)計的排水路線進(jìn)入儲水量筒進(jìn)行收集量測.

2.2 試驗材料

模型試驗中基層厚度為150 mm， 由水、 水泥、 砂、 碎石等材料按照設(shè)計的配合比制作而成. 底基層則采用級配碎石， 由0～10、 10～20、 10～35 mm三種不同尺寸類別的碎石組成， 厚度為120 mm. 路基土采用砂質(zhì)粘土厚度為400 mm， 其最大干密度為1.60 g·cm-3， 最優(yōu)含水量14.0%.

2.3 自制降雨系統(tǒng)

圖3 自制降雨系統(tǒng)Fig.3 Artificial rainfall system

降雨模擬系統(tǒng)由降雨管道、 供水管線、 壓力表、 手動控制閥門連接組成， 如圖3所示. 模型箱上方設(shè)兩排降雨管線， 間距10 cm， 固定于距離模型箱80 cm的高度處. 試驗前， 對降雨管道進(jìn)行打孔處理， 孔徑約為0.5 cm， 相鄰孔距為10 cm， 經(jīng)過降雨管道的水將從預(yù)先處理的孔洞流出模擬降雨過程.

試驗過程降雨強度由供水管道內(nèi)部的水壓力控制. 為了后期的水量平衡分析， 試驗前須對降雨強度進(jìn)行標(biāo)定. 在降雨器下方0.8 m處， 均勻分布5個量杯， 打開閥門并測量記錄0.5 h量杯內(nèi)收集的自由水以及降雨穩(wěn)定后壓力表的讀數(shù).

2.4 監(jiān)測裝置

試驗采用張力計測量路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的基質(zhì)吸力變化， 其布置如圖4所示. 試驗A中布置張力計于基層和路基中的不同位置， 其中基層的張力計布置在新型排水系統(tǒng)上方40、 110 mm處， 路基的張力計布置下新型排水系統(tǒng)下方40、 110 mm處.

圖4 張力計布置圖(單位： mm) Fig.4 Tensiometer layout (unit： mm)

試驗中須對各結(jié)構(gòu)層的導(dǎo)排水量進(jìn)行收集和測量， 試驗A從面層至下依次收集的水量為： 面層徑流量、 基層導(dǎo)排水量、 新型排水系統(tǒng)導(dǎo)排水量. 試驗B從面層至下依次收集的水量為： 面層徑流量、 基層導(dǎo)排水量、 底基層導(dǎo)排水量， 排水量收集方式如圖5所示. 在試驗?zāi)Ｐ椭谱鬟^程中， 新型排水系統(tǒng)超出模型長度方向15 cm， 并進(jìn)入塑料排水管中， 從而對新型排水結(jié)構(gòu)排出的水進(jìn)行集中收集測量. 基層和底基層水分收集是采用經(jīng)過表面打孔處理的塑料排水管插入基層和底基層約10 cm. 為了防止塑料排水管的淤堵， 在塑料排水管外裹一層窗紗網(wǎng).

圖5 排水量收集Fig.5 Water collection

3 試驗結(jié)果分析

3.1 不同排水方式下基層吸力和體積含水率

基層材料基質(zhì)吸力變化如圖6所示， 無論采用新型排水系統(tǒng)還是傳統(tǒng)排水系統(tǒng)， 隨著水分的入滲基層的吸力均發(fā)生下降. 新型排水系統(tǒng)于降雨后第8 min開始排水， 此時基層的吸力值為40 kPa， 采用新型排水系統(tǒng)， 基層處于非飽和狀態(tài)便開始排水； 而傳統(tǒng)排水方式在降雨后第20 min才開始排水， 此時基層已達(dá)到飽和狀態(tài). 采用新型排水系統(tǒng)時， 基層中3#、 7#吸力不斷減小， 在第100 min達(dá)到吸力的最小值18. 采用傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的基層則在第20 min吸力降至零點. 在降雨停止后由于新型排水系統(tǒng)仍繼續(xù)排水使得基層中的水分被不斷排出， 基層的吸力發(fā)生回升， 基層逐步恢復(fù)干燥.

根據(jù)實測的吸力值結(jié)合文獻(xiàn)[8]的基層土水特性曲線， 推算出基層的體積含水率. 基層材料體積含水率變化如圖7所示， 采用新型排水系統(tǒng)基層始終處于非飽和狀態(tài)， 在降雨階段體積含水率發(fā)生小幅度增加， 在降雨結(jié)束后基層體積含水率緩慢下降. 而采用傳統(tǒng)排水方式的基層在降雨后20 min已達(dá)到飽和狀態(tài).

采用新型排水系統(tǒng)時基層的體積含水率始終小于采用傳統(tǒng)排水方式時基層的體積含水率， 且采用新型排水系統(tǒng)時基層體積含水率變化幅度小于采用傳統(tǒng)排水方式時基層體積含水率變化幅度. 綜上所述， 新型排水系統(tǒng)保持基層相對干燥， 降低基層濕度的變化幅度， 減少干濕循環(huán)帶來的危害.

圖6 基層材料基質(zhì)吸力變化Fig.6 Matric suction in the base

圖7 基層材料體積含水率變化Fig.7 Volumetric water content in the base

3.2 不同排水方式下路基吸力

路基土基質(zhì)吸力變化如圖8所示， 采用新型排水系統(tǒng)時處于路基土體的吸力基本不變， 即水分無法入滲至路基較深的位置. 采用傳統(tǒng)排水系統(tǒng)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， 隨著水分不斷入滲， 第30 min后路基土的吸力發(fā)生明顯下降， 即水分已經(jīng)入滲進(jìn)入路基中， 在第40 min張力計2#、 6#的吸力值首先降至零點.

圖8 路基土基質(zhì)吸力變化Fig.8 Matric suction in the subgrade

圖9 路基土體積含水率變化Fig.9 Volumetric water content in the subgrade

根據(jù)實測的吸力值結(jié)合文獻(xiàn)[8]的路基土水特性曲線， 推算出路基的體積含水率變化. 路基土體積含水率變化如圖9所示， 采用新型排水系統(tǒng)的路基土始終保持在初始體積含水率， 水分未入滲至路基土中. 而采用傳統(tǒng)排水方式的路基土， 于第30 min后體積含水率明顯增加， 此時水分已經(jīng)入滲至路基中， 于第60 min路基土的體積含水率達(dá)到飽和體積含水率. 通過對比不同排水系統(tǒng)下路基吸力和體積含水率的變化， 可知采用新型排水系統(tǒng)能夠有效防止水分子下滲至路基， 保證路基的干燥.

3.3 水量變化規(guī)律

試驗過程以25 mm·h-1的降雨強度對路面結(jié)構(gòu)持續(xù)降雨90 min， 其總降雨量達(dá)到20.25 L. 各結(jié)構(gòu)層收集的排水量見表1， 試驗過程收集到的表面徑流量為1.69 L， 占降雨總量的8.35%， 絕大多數(shù)的水分進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部. 由于試驗過程未設(shè)置不透水面層， 不利于表面的徑流發(fā)生， 更多的水分直接進(jìn)入基層中. 基層由水泥穩(wěn)定碎石組成， 其滲透系數(shù)較小， 故試驗A、 B中基層排水量也有限.

從表1中可以看出， 傳統(tǒng)排水系統(tǒng)主要依靠底基層的級配碎石排水， 其排水量為12.26 L(占降雨總量的60.54%)， 而新型排水方式依靠新型排水系統(tǒng)， 其排水量為15.30 L(占降雨總量的75.56%). 與傳統(tǒng)排水方式相比， 新型排水系統(tǒng)排出的水量是傳統(tǒng)排方式水量的1.25倍， 采用傳統(tǒng)排水方式蓄積于路面結(jié)構(gòu)基層內(nèi)的水量是采用新型排水系統(tǒng)的3.6倍. 新型排水系統(tǒng)能夠更快速有效排水， 在降雨結(jié)束后快速排出路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部水分， 從而減少積滯在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水分.

表1 水量對比分析

4 結(jié)語

1) 采用新型排水系統(tǒng)基層處于非飽和狀態(tài)下便開始排水. 新型排水系統(tǒng)于降雨后的第8 min開始排水， 此時基層的吸力值為40 kPa， 采用新型排水系統(tǒng)， 基層處于非飽和狀態(tài)便開始排水； 而傳統(tǒng)排水方式在降雨后第20 min才開始排水， 此時基層已達(dá)到飽和狀態(tài).

2) 新型排水系統(tǒng)能夠防止水下滲至路基， 降雨過程路基土的吸力始終未發(fā)生改變， 保持在初始吸力值. 而采用傳統(tǒng)排水方式的路基土被水分所濕潤， 在第30 min路基土的吸力發(fā)生明顯的下降， 此時水分已經(jīng)入滲至路基土中.

3)新型排水系統(tǒng)排出的水量是傳統(tǒng)排水方式水量的1.25倍， 可在降雨停止后更短時間內(nèi)完成排水. 采用傳統(tǒng)排水方式蓄積于路面結(jié)構(gòu)基層內(nèi)的水量是采用新型排水系統(tǒng)的3.6倍， 新型排水系統(tǒng)能夠更快速有效排水， 在降雨結(jié)束后快速排出路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部水分， 從而減少積滯在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水分， 提高路面結(jié)構(gòu)基層承載性能.

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(責(zé)任編輯： 蔣培玉)

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

劉毓氚(1971-)， 教授， 主要從事環(huán)境巖土工程、 地下水控制與污染治理研究， liuyuchuan@fzu.edu.cn

福建省自然科學(xué)基金資助項目(2017J01466)； 福建省交通廳科技項目(201423)； 廈門市建設(shè)局科技項目(xjk2015-1-2)