縫隙透滲水路面的結構層材料選擇與應用設計技術研究

陳羲，周駿

（南昌市公路勘察設計院，江西 南昌 330077）

0 引言

縫隙透滲水型路面是透水路面的一種常見結構，其結構層自下而上由基礎層、找平層和混凝土路面磚面層組成。與其他透水路面相比，其最大的特點是路面磚間存在比較寬的縫隙，內部填充了礫碎石料、碎石等透水材料，使雨水能夠迅速滲透到路面結構中。國內外目前對于縫隙透滲水型路面的設計還沒有形成統(tǒng)一成熟的設計理念與方法，一定程度上仍處于經驗設計階段，縫隙透滲水路面的水文功效與承載力若匹配不佳，建成不久就可能發(fā)生一系列工程病害，影響道路使用功能。本研究闡述透滲水路面的重點設計控制指標和設計過程，重點探討透滲水路面結構層材料選擇與應用相關設計技術要點，為同類路面設計應用提供技術參考。

1 透滲水路面的重點設計控制指標

1.1 雨水管理控制設計指標

設計建設透滲水路面，主要是基于當代城市路面建設大力改進雨水管理方式和理念，從傳統(tǒng)的快速排水、適時就近排水、快速排完，轉變?yōu)椤皾B水、滯水、蓄水、凈水、用水、排水”的雨水低影響設計方式。為構建城市路面工程的良好的雨水管理和循環(huán)過程，透滲水路面設計應合理參考和選擇設計控制目標，從雨水資源利用、徑流總量控制、高峰徑流控制、徑流污染控制等方面開展透滲水路面設計。

滲水鋪裝是透滲水路面的主要功能結構。在設計過程中，應嚴格遵守環(huán)境保護、循環(huán)利用自然資源的工程理念，結合道路設計標準，盡可能因地制宜設計配套滲水鋪裝，系統(tǒng)設計應用滲水軟管、雨水格柵、盲渠、植草溝、下沉式綠地等低雨水影響功能系統(tǒng)，采用透滲水、蓄水、調整水、凈化水等措施，降低道路徑流，使污染物排放得到有效控制，完成透滲水路面設計和控制的目標。

1.2 功能性結構設計指標

目前，透水路面設計還沒有為業(yè)界所公認的設計方法，因此在路面設計技術指標的選取上，可以參考混凝土路面或瀝青路面的技術指標和設計方法，并根據透水路面結構應用的路面基材形式確定相應的技術指標，見表1所示。

表1 不同基層類型路面設計指標

2 縫隙透滲水路面的設計過程

在透滲水路面設計過程中，承載功能和透水功能是兩個相對矛盾的指標，因此設計重點在于找到兩者的平衡點，最大限度緩解兩者的矛盾，制定既符合透滲水需求，又有足夠載承力功效的設計方案。

滲水、排水、蓄水等水文功效是滲水性路面結構設計的首要考慮因素，這些因素直接影響透滲水路面功效的實現(xiàn)與發(fā)揮，這也是該透水路面與普通路面的最大區(qū)別。因此縫隙透滲水路面的設計過程應為：

（1）依據區(qū)域地質、氣候、水文等場地條件，開展道路的水文功效設計；

（2）基于道路服務功能和交通流量，確定路面載荷級別。如果路面載荷級別較輕且只有少數車輛通過，路面結構可按相關技術規(guī)范推薦參數或經驗方法設計。如果交通流量比較大，結構的承載力應以滲水設計為基礎開展設計和檢驗，以確保最終方案的可行性。

3 透滲水路面結構層材料設計選擇與應用

3.1 面層材料的設計選擇與應用

（1）質量基本標準

路面與車輛、行人和大氣環(huán)境直接發(fā)生接觸，承受交通載荷的同時又遭受環(huán)境侵蝕，因此透滲水路面設計必須在足夠的承載能力、耐磨性能和透滲水性能間尋求優(yōu)化組合。縫隙透滲水路面的面層通常采用廠制混凝土磚作為面層鋪筑建材。在設計選擇過程中，必須確保所有混凝土磚符合承載能力、耐磨性能和透滲水性能需求。

廠制路面磚的型制精度對于縫隙透滲水路面的緊密連鎖非常重要。如果磚體型制誤差過大，在鋪裝過程中逐漸積累的偏差，會造成很多縫隙不符合路面美觀設計需求，路面功效也會受到很大影響?？p隙透滲水混凝土路面磚型制規(guī)格的許可誤差見表2所示。

表2 縫隙透滲水混凝土路面磚型制規(guī)格許可誤差技術參數 單位：mm

路面磚的強度對路面的結構功效影響較小，但是如果路面磚強度過低，在施工和應用過程中很容易過早損壞，因此也需要限制其強度?？p隙透滲水路面磚抗壓強度分CC40、CC50和CC60三個級別，抗彎強度通常分Cf4.00、Cf5.00、Cf6.00三個級別。應依據道路級別與交通流量選擇適宜的面磚級別。

路面用磚的持久性標準主要參考2個技術指標，抗凍性與耐磨性。抗凍性是評價混凝土制品持久性能常用的技術指標。面磚在使用中面臨磨損是普遍和必然的現(xiàn)象，對路面的粗糙度、平整度以及道路美觀的影響較大。路面的強度和物理功效應滿足表3與表4的需求。

表3 縫隙透滲水路面磚的物理性能

表4 縫隙透滲水路面磚強度參數 單位：MPa

（2）型制、厚度與鋪筑

面磚型制對縫隙透滲水路面面層的互鎖結構的穩(wěn)定和路用功效非常重要。不同型制的磚塊所鋪設的路面層的完整性和擴散載荷的能力不同。一般來說，用帶凸筋或間隔筋等型制輪廓的路面磚鋪設路面，結構穩(wěn)定性更好，能夠構成充分互鎖，不足是此類路面磚對制作技術和成本需求相對較高。因此，需要依據路面應用情況選取合適路面磚型制。為便于選擇路面磚，依據結構功效把型制分為以下三類：

A型磚是四面互鎖的鋪裝磚，有復雜的尺形輪廓，可相互嵌入，可完成四面完全互鎖，可以同時抵御平行于橫軸和縱軸的相對移位。

B型磚為兩側互鎖的鋪裝磚。路面磚的延伸側設置有間隔筋、凸筋等尺形輪廓，僅能完成局部互鎖，可以抵御一個軸向的平行于路面的相對移位。

C型磚邊緣平直，無尺形輪廓，一般為長方形或正方形。

路面載荷實驗可知，A型磚的結構功效最好，C型磚的結構功效相對較差。

磚厚對路面荷載功效亦存在影響。厚度決定于路面需要承受的交通載荷。如果磚厚偏小而車流量較大，則易于導致路面磚毀損，會影響路面使用功效。輕級交通量路面，最小磚厚度可選擇60mm，對于需要承載貨車路面，最小磚厚需提升至80mm，載重車輛多的路面，最小磚厚以不低于100mm為宜。城鎮(zhèn)道路混凝土路面磚的最小厚度參數為：步行街、人行道最小磚厚60mm，停車場、廣場、支路最小磚厚80mm，大型停車場最小磚厚100mm。

在某些狀態(tài)下，需要計算出所鋪路面磚的最小厚度，以更準確、更經濟地選擇合適的路面磚。采取水泥穩(wěn)定礫碎石料、瀝青穩(wěn)定礫碎石料、級配礫碎石料等半剛性基礎層或柔性基礎層的互鎖砌塊路面，需將撓度設計值作為整體路面剛度的設計指標，并應考慮瀝青底層底部拉應變、半剛性材料基礎層底部拉應力、疲勞開裂等技術指標。確定瀝青混凝土結構層的厚度設計后，可依據如下公式計算確定磚厚度。

式中：hs為路面塊體設計厚度（mm）；h1為瀝青混凝土結構層厚度（mm）；a為計算系數，取值區(qū)間通常在0.7～0.9，交通量較大、道路等級較高、塊體面積相對較大時，一般需取較高值，塊體面積和交通量較小時，可考慮取低值。

對于滲水混凝土、貧混凝土等剛性基礎層路面，確定混凝土面層厚度，應以無出現(xiàn)疲勞斷裂作為技術指標，于最大溫度梯度與最大軸載聯(lián)合影響下，以不易導致極限斷裂作為校核技術指標，設計面層體塊厚度。厚度設計確定之后，可按下述公式計算設計路面磚厚度。

式中：hs為路面塊體設計厚度（mm）；h1為瀝青混凝土結構層厚度（mm）；b為計算系數，取值區(qū)間通常在0.50～0.65，交通量較大、道路等級較高、塊體面積相對較大時，一般需取較高值，塊體面積和交通量較小時，可考慮取低值。

路面磚的鋪裝形式對路面的載承功效的影響作用，主要體現(xiàn)在路面的抗水平蠕變能力上。通常采取“一字型”或“人字型”設計，其中“人字型”鋪設，路面的穩(wěn)定性較好。對于需要承受重載較多或大型工業(yè)區(qū)的路面，首選“人字型”鋪裝設計。

3.2 找平層和填縫材料的設計選擇

找平層位處基礎層和面層間，在透水路面設計中，該結構層可起這樣兩個主要作用，一是平整基礎層頂面，以為上面層鋪設混凝土磚提供功效良好的承載層；二是提供適當的承載層形變，以為鋪面磚緊密互鎖提供界面條件。找平層可緩沖和吸收路面的沖擊載荷，部分過濾入滲污物的作用。

填縫和找平層材料的性能對整個透滲水路面的結構功效影響很大。選材不當有可能使路面結構的承載能力受到影響，從而引發(fā)一系列路面工程病害?？p隙透滲水型路面的找平層和填縫材料一般采用中粗砂、小顆粒碎石等粒狀粒料。如此設計的優(yōu)點為：①粒狀材料具有良好的滲透性，能迅速使雨水滲入路面結構中；②發(fā)生材料堵塞后易于更換。缺點是在輪胎負壓、風雨等外在要素的作用下，粒狀物料容易跑偏，導致路面結構不穩(wěn)定。

硬質水泥砂漿適合用作透水路面填縫和找平層材料。與普通水泥砂漿相比，硬質水泥砂漿的水灰比更小，降低了復合料的水分含量。由于復合料以水泥為膠結料，穩(wěn)定性較佳，但水化后的膠結料存在堵塞孔隙的可能性，因此對砂的粒度需求很高，粒度低于0.63mm應嚴格控制在5%以內，其滲透常數一般為1mm/s。可依據路況選擇合適的找平層和填縫材料。多雨地區(qū)路面透水性要求標準較高，可選擇應用單粒礫碎石料或中粗砂等顆粒材料。如果路面需要承載更多的交通載荷，應選擇硬質水泥砂漿作為填縫和找平層材料。

3.3 基礎層材料的設計選擇與應用

基礎層材料的設計選擇，應按照混凝土瀝青路面的相關規(guī)范進行設計?；A層可分為水泥混凝土、瀝青結合料、穩(wěn)定性無機結合料和粒料四種形式。為保證結構強度，礫碎石料磨損率不超過40%，CBR值不低于80%。同時，為滿足一定的蓄排水需求，開級配礫碎石料的空隙率不應低于15%。

粒料基材的級配是影響路面承載能力和蓄水功效的關鍵要素。如果級配設計不夠合理，粒料不能充分壓密和嵌縫，路面承載力將受到嚴重影響。但盲目追求強度，選用壓密度很高的傳統(tǒng)級配粒料，又會造成基礎層孔隙率不足，降低路面蓄水功效。因此應綜合承載力、滲透性和蓄水能力開展路面設計，選取合適的粒料級配。間斷級配粒料，可選擇選用4.75～13.2mm粒度范圍。

由于基礎層材料的粒度遠大于找平層材料，故縫隙透滲水路面找平層粒料有向基礎層流失的可能，進而造成路面結構破壞。為克服這一不足，透滲水路面設計時，除層間可增加土工織布層外，在層間粒度設計選擇上，還應滿足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%的更細粒度料。設計中參考該標準，可以確定基礎層和找平層材料的級配設計是否安全可靠，最大限度防止縫隙透滲水路面結構層間發(fā)生粒料流失或離析。

4 結論

本文對縫隙透滲水路面的結構層材料選擇與應用設計進行了研究，主要得到如下結論：

（1）縫隙透滲水路面雨水管理技術指標主要有三種：徑流峰值控制目標、徑流污染控制目標和徑流總量控制目標。設計時應著重選取其中一種或者多重，并因地制宜明確首選技術指標和次要技術指標。

（2）在縫隙透滲水路面設計中，應注意選取承載功效和滲水功效二者平衡點，在符合水文功效基礎上，對結構的承載力開展設計檢驗，制定縫隙透滲水路面的結構設計方法。

（3）鋪裝路面磚的厚度可用等效代換法計算。找平層和填縫通常選用同一種滲水材料，常用材料有礫碎石料、碎石和硬質水泥砂漿三種。粒狀基材的CBR值不應低于80%。