高速公路路面结构内部排水设计

高速公路路面结构内部排水设计

第一届全国公路科技创新高层论坛论文集 公路设计与施工卷

高速公路路面结构内部排水设计

左文根 张玉鹏 吴黎明

1、 安徽省公路勘测设计院 合肥 邮编：230041；

2、中国人民武装警察部队交通第六支队 合肥 邮编：230041；

3.中国人民解放军94248部队 徐州 邮编：221005。

摘 要 文章分别论述了水泥路面和沥青路面结构内部积水的根源，导致路面结构早期损害的机理及路面的破坏现象，直接影响路面的质量、行车的安全性和舒适性等因素，总结出加强路面结构内部排水系统设计是提高高速公路路面设计技术和质量的重要环节之一。从设计、施工、营运管理等方面分析早期水损害的原因，提出路面结构设计应考虑抗早期水损害的预防技术措施和完善的内部排水设施设计。

关键词 高速公路、路面结构、内部排水设计

Internal Drainage Design of the Pavement Structure on Speedway

12 3 Zuo wen-gen, Zhang yu-peng,Wu li-ming

1.Highway Survey & Design Institute Anhui Province,Hefei 230041,China；

2.The Six Traffic Branch of People’s Armed Police of China,hefei 230041,China；3. 94248 Troop of PLA,Xu Zhou 221005,China.

Abstract: the article discusses the source of cement pavement and bitumen pavement structure interior seeper 、the mechanism which causes pavement structure early stage damage and pavement destruction phenomenon ,which effects directly pavement quality 、drive a vehicle security and comfort .sums up that fortifying internal drainage system design of the pavement structure is one of important link of enhancing quality and technology of pavement design on speedway . analyses the reason of early stage water-damage from design 、 construction 、 manageme and use , puts forward we must consider perfect internal drainage establishment design and precaution technique measure to resist early stage water-damage when we design pavement structure .

Keyword: speedway; the pavement structure；internal drainage design

1 简述

随着我国高速公路的快速发展，对高速公路路面设计的技术和质量要求越来越高，但路面的早期破坏也越来越严重。通过对国内已建成的高速公路路面统计资料进行总结分析，导致早期破坏的原因很多，其中水是路面损坏的主要自然因素，由于受沿线水文、气象等条件的影响，特别在梅雨季节及雨季降雨量较大，且持续时间较长，没有完善的排水设施设计，将直接影响路面的使用性能，减少了路面的使用寿命，严重影响车辆高速、安全、舒适的行驶。

1.1 沥青混凝土路面

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1.1.1 沥青混合料设计时考虑混合料流动性变形及泛油情况，沥青混凝土路面的设计残留空隙率为3%~6%；同时，由于基层反射裂缝和温缩、疲劳裂缝等，导致部分路面表面水由空隙和裂缝下渗至路面结构层层间和滞留在沥青混凝土空隙内，形成层间自由水，使混合料内部总是被水浸泡，水分侵入沥青与集料的界面，以水膜或水气的形式存在，影响沥青与集料的粘附性，在交通荷载和温度胀缩的反复作用下，产生水动力，使沥青与集料开始剥离，渐渐地集料开始松散、掉粒，导致沥青混合料不再成为一个整体，再发展成龟裂、坑槽等；集料在荷载作用下对基层表面产生撞击，基层的粉质部分以及土质部分变成为稀浆，通过路面的缝隙向上挤出，沥青路面便出现唧浆、面层出现局部网裂，最后形成坑槽。

1.1.2 由于路基两侧及路肩有滞水，渗入并滞留在路面结构层内，形成层间自由水，在交通荷载的反复作用下，直接影响路肩、路基和路面的稳定及使用性能。

1.1.3 在零填及挖方路段，由于受地下水位的影响，地基处于潮湿或过湿状态，地下毛细水不断上升以及岩石挖方段岩层间滞水和裂隙水，在交通荷载的反复作用下，对路面基层（路面承重层）将产生直接冲刷而破坏，直接影响路面的稳定。

1.2 水泥混凝土路面

1.2.1 水泥混凝土路面设计时考虑温度翘曲应力和行车荷载应力而设置的纵、横缝，还有部分裂缝，给路面水渗入留下通道，部分路面水滞留于接缝中不能及时排出，使路面基层处于潮湿或浸泡状态。在行车荷载频繁作用下，对接缝或裂缝处的基层不断冲刷，使路面基层产生塑性变形累积而与面板脱离接触，水分下渗而积聚在脱空的空隙内，积水变成有压水，基层的粉质部分以及土质部分变成为稀浆，通过路面的缝隙向上挤出，路面便出现唧浆，久而久之，路面板端脱空失去支撑，路面板出现折断、破碎，加剧路面板裂缝的发展，路面水下渗率更高，造成路面损坏恶性循环，严重影响路面的使用性能。

1.2.2 沿缝隙下渗的水带着基层被冲蚀的碎屑向后方板下运动，把该板抬起来，使相邻两块板在接缝处不能对齐，壁面不垂直，上下错位而产生错台，降低了行车的平稳性和舒适性。

2、原因分析

造成路面水下渗的原因有内因和外因，路面结构设计本身需要的空隙和接缝已经给路面水下渗留下通道；还有路面施工组织与管理不完善、排水设施设置不完善等情况，加剧了路面水下渗。

2.1 沥青混凝土路面

2.1.1 在行车荷载作用下水与空隙率的关系

沥青路面施工完毕，沥青混合料的实际空隙率小于8%（相当于设计空隙率4%），沥青层间的水在荷载作用下不会产生动水压力；沥青混合料的实际空隙率大于15%，水能够在空隙中自由流动，也不易产生动水压力，不易造成对沥青路面的冲刷而损坏；沥青混合料的实际空隙率在8%~15%之间，水容易进去，在行车荷载的作用下，易产生较大的毛细压力成为动力水，易造成对沥青路面的冲刷而损坏。

2.1.2 沥青混合料的实际空隙率增大的原因

施工中片面追求路面平整度及满足抗滑对构造深度的要求，压实度采用马歇尔密度96%以上单一控制，造成沥青混合料压实度达不到要求，造成部分空隙率增大。

为了节约投资、满足抗车辙要求，减薄路面厚度，加大粗集料粒径，满足不了施工厚度大于3倍公称粒径，给施工增加难度，压实不均匀，造成空隙率增大。

施工全幅摊铺，振捣力小，不均匀，停顿多、不连续；施工温度不均匀，温度低，压实不均匀，

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造成空隙率增大。

2.1.3 沥青混合料抗水损坏能力弱

沥青与集料间粘附性较差，集料的矿物成分和界面的粗糙程度直接影响沥青与矿物界面的粘附性，水分侵入沥青与集料的界面，在交通荷载和温度胀缩的反复作用下，使沥青与集料粘结力丧失，容易产生剥离和离析现象，使沥青混合料产生松散、掉粒。

2.2 水泥混凝土路面

水泥混凝土路面施工时，对面板振捣不均匀，产生强度不均匀，使路面板局部产生碎裂；面板接缝处理不当，填缝料满足不料混凝土面板的胀缩要求，封水性差，运营时间长的情况下，很容易脱掉等，均造成路面水下渗。

2.3 路面基层

高速公路路面基层是路面的支撑，大部分为水泥或石灰粉煤灰稳定集料，程刚性和半刚性，受温度和湿度的影响，产生胀缩裂缝，对沥青路面还产生反射裂缝；施工中拌和不均匀，产生局部强度不均匀，在行车荷载长期作用下，造成沥青路面沉陷、混凝土面板脱空而破坏；基层表面残留的细颗粒物质未清除干净等因素，造成层间排水不畅。

3、排水系统的方案设计

路面内部水的排出是一个完善的系统工程，一方面要加强路面结构本身的防水措施、提高路面材料的抗水害能力；另方面要加强内部排水设施设计。二者是相辅相成的，只预防不排出或只排出不预防，均解决不了路面内部水对路面结构的损害。

3.1 预防技术措施

3.1.1 选择抗滑性能好、摩擦系数大的石料，提高路面的抗滑性能；调整集料级配，减少粗集料与矿粉的含量，增加中间集料的含量；根据最大公称粒径选择合理的路面施工厚度，有利于压实，减少离析产生。

3.1.2 加强压实，减小空隙率。确保压实度情况下，提高平整度，采用大吨位振动压路机，采用马歇尔密度96%和实际最大理论相对密度的92%进行双控制，同时达到试验路的钻孔密度的99%。

3.1.3 提高沥青混合料的水稳性。沥青混合料施工前要加强沥青与石料的粘附性试验（浸水马歇尔残留稳定度试验、冰融劈裂试验、残留强度比试验、加速老化试验等），在此之前，在沥青中加入消石灰抗剥离剂，并做沥青薄膜加热试验，待试验结果评价满足要求后再进行混合料摊铺。

3.1.4 改进施工工艺组织，加强动态质量管理。由原一台摊铺机全幅摊铺变三台摊铺机，分行车道宽度梯队式摊铺，增加转运车，减少温度损失，保证施工连续性，采用大吨位振动压路机碾压；沥青混合料采用间歇式拌和机，对每一盘拌和料都必须打印各个料仓及沥青、矿粉的使用量、混合料温度，每天汇总并进行总量检验，计算平均矿料级配、石油比以及施工效果，并上报业主。

3.1.5 沥青路面面层混合料级配采用密级配防水，同时可考虑设置封层，阻止水下渗。

3.1.6 在路面基层顶面设下封层，截住路面下渗水，由下封层通过路拱横坡排至路肩，与路面边缘排水设施配套；超高路段通过路拱横坡排至左侧路缘带，与路表和中央分隔带排水设施配套，在次不在敖述。

3.1.7 水泥混凝土面板接缝采用适应混凝土板的胀缩、施工不变形、耐久性良好的接缝板和与混凝土缝壁粘附力强、伸缩和回弹性能好、不溶于水和不透水、温度稳定性和耐久性的接缝料填塞。

3.1.8 路面基层混合料采用场拌法，内加阻裂剂，防止拌和不均匀、胀缩裂缝的产生，同时加强施工组织管理。

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3.2

3.2.1 集水沟排出，见图超高路段排水基层的自由水引排至中间带左侧路缘带下设置的纵向集水沟，由纵向透水软管引

高速公路路面的排水基层由含少量细料的开级配碎石集料和水泥或沥青处治的多孔隙稳定碎石，排水基层混合料的孔隙率一般不小于20%，透水率建议水泥为0.36 m3/(d.m2) ，沥青为0.15m3/(d.m2)；渗透系数为1.59~2.39cm/s。厚度根据孔隙率、路表渗入量和基层渗流量（见公路排水设计规范水文、水力计算）确定，一般水泥为8~15厘米，沥青为8~12厘米。为了使沥青面层底面不产生拉应变，减少沥青混合料浸水后的模量降低及剥落病害，应对沥青稳定碎石级配组成进行多次计算、试验确定，使沥青稳定碎石20℃抗压回弹模量不小于800Mpa，15℃抗压回弹模量不小于1100Mpa，沥青含量不小于2.5%；水泥稳定碎石7天抗压强度不小于3~4Mpa，28天劈裂强度不小于1.2 Mpa，水泥用量不小于160Kg/m3。排水基层一方面迅速疏干路表渗入水，要求具有足够的排水能力，另一方面起基层承重作用和水稳性（沥青稳定碎石水稳性较差）。在排水基层底部设下封层，阻止渗入水继续向基层下渗。

3.2.2 在零填和挖方路段，由于地下水水位较高，毛细水上升较快，或存在地下泉眼以及岩石裂隙水的冒出，对路面底基层或基层直接产生冲蚀，汇水量较大时，久而久之，使路面底基层或基层失去支撑作用，影响路面的稳定性。为了排除这部分水，在路面底基层或基层下增设排水垫层，排水基层满铺至路基边缘，保证与路面、路肩相同的横坡，将渗入排水层的自由水通过路拱横坡横向排至边沟（边沟顶部高程齐平于路面结构层层底）；超高路段的自由水排出与中央分隔带内设置的纵向盲沟相匹配，同时起到反滤层作用，阻止地下水继续上升。排水垫层采用含少量细料的开级配

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碎石集料，保证其具有足够的排水能力，其承重作用要满足路面设计要求。

3.2.3 路面面层下设置下封层排除路面结构层层间水时，在土路肩下设置纵向碎石渗沟，沿土路

3.2.4 沟填料同排水基层材料，集水沟内设置纵向TS-软式透水管，每间隔20~40米设一道横向uPVC管，且伸出边坡10厘米，与边坡泄水槽对应，逢桥梁、明涵等构造物处理以及纵坡要求同中分带渗沟，在纵向集水沟底部铺设隔渗土工布，上部铺设反滤土工布，见图3-2-1。

4、结束语

在年降雨量大于600mm以上的湿润和多雨地区的修建高速公路，加强路面结构内部排水系统设计，提高路面抗水害能力，为广大从事工程设计、施工及相关人员的高度重视，迅速及时地疏干路面结构内积滞的表面渗入水，使渗入水在路面结构内的最大渗流时间不超过2小时，冰冻地区不超过1小时，最大渗流路径长度不超过45米，因地制宜、合理地采用新工艺、新材料，从设计、施工着手，不断地完善路面结构性能。

参考文献

⑴、《公路排水设计规范》JTJ018-97，中华人民共和国交通部发布。

⑵、《公路沥青路面设计规范》JTJ014-97，中华人民共和国交通部发布。

⑶、《公路水泥混凝土路面设计规范》JTJ012-94，中华人民共和国交通部发布。

⑷、《改性沥青与SMA路面》，沈金安编著，人民交通出版社：18~30。

⑸、《路面内部排水系统设计与施工》，姚祖康编著，同济大学。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/idpi.html