山区公路沥青面层排水技术的研究简本Word文档下载推荐.docx

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对于水的问题其对策不是封堵就是排泄，沥青面层排水为进入路面内部的水提供了迅速排除的通道，在防止水损害的同时也具有良好的防滑特性和视觉特性。

简言之，山区公路的行车安全问题和沥青路面的水损坏问题是本项目的研究背景。

本项目以提高山区公路沥青路面安全性能为目的，以山区公路沥青面层排水技术为研究对象，根据研究预期目标分4个研究专题：

①山区降雨对行车安全性的影响及排水沥青面层的适用条件；

②沥青混合料的空隙率与排水效率及水损害的关系；

③排水沥青面层的材料与混合料设计；

④设有排水沥青面层的路面结构设计研究。

课题总的研究思路是：

通过第一专题的研究，分析山区公路沥青路面水膜厚度受降雨要素（降雨量、降雨历时、降雨强度）的影响以及水膜厚度对水漂和跟随车辆能见度的影响，由此得出排水沥青面层的适用条件和适用范围。

通过第二专题的研究，分析水损坏与沥青混合料空隙率之间的关系，由此得出排水沥青结构是否稳定的结论。

第三专题的工作重点是排水沥青混合料的材料要求和配合比设计方法；

第四专题的工作是研究排水沥青路面的结构组合和施工工艺方面的问题。

通过这四个专题的研究形成排水沥青路面铺筑的成套技术和实用技术。

整个课题的研究采用理论分析和实验研究相结合的方法进行，主要的研究手段有室内外材料试验和性能试验、数值分析和理论模型建立、试验路铺筑等。

2研究内容与结论

2.1山区降雨对行车安全性的影响及排水沥青面层的适用条件

1）降雨和路面水膜厚度之间的关系

通过人工降雨试验测定了不同降雨强度在不同沥青混合料、不同坡度和不同坡长时路面的水膜厚度，并应用灰色关联理论对水膜厚度的影响因素作了分析。

其结论为：

坡面长度的作用比较显著，坡面的粗糙程度次之，降雨强度再次之，坡面坡度起的作用最小。

这个结论说明，山区公路上因排水径流长度的增加导致其路面排水问题比平原地区更加突出。

根据水膜厚度测试实验数据，建立了预估水膜厚度的三种模型：

回归模型、BP网络模型和数学物理模型，并对这些模型进行了比较分析和验证，得到了预估道路表面的水膜厚度的经验公式：

（R2＝0.93）（2.1-1）

式中：

h—坡面水膜厚度，mm；

l—坡长，m；

i—坡度；

q—降雨强度，mm/min；

TD——道路表面构造深度，mm

2）构建轮胎的三维有限元模型并进行水漂分析

考虑轮胎高度的非线性、各向异性等特性建立轮胎的三维有限元模型，橡胶材料采用具有三个参数的Yeoh模型，帘线采用加强筋单元模型表示，轮辋刚体与胎面的接触关系为粘合，路面刚体与胎面单元的接触关系用库仑摩擦定律表示。

在静载的轮胎模型上施加一个稳态惯性场的作用，建立轮胎稳态滚动的模型，分析得出了三种车型在不完全水漂状态的轮胎附着系数变化曲线，回归出附着系数随着速度和水膜厚度的变化关系式。

在轮胎完全水漂分析中运用弹性流体动力润滑理论，推导出了适用于该系统的Reynolds方程、水膜厚度方程和载荷方程。

用复合直接迭代法求解，计算了轮胎动力水漂时接触区内的水膜分布和接触区内的平均水膜厚度。

考虑轮胎和路面表面光滑与粗糙不同状态，均进行了分析。

根据求解出的水漂数据回归出了可用于预估产生水漂临界速度的平均水膜厚度与轮胎滑行速度关系式。

3）汽车行驶的稳定性判断方法与排水沥青面层适用条件

结合山区高速公路的线形以及路面结构，分析了三类车型的行驶纵向稳定性和横向稳定性，并给出了汽车行驶的稳定性的验算方法和判断排水沥青面层适用性的方法。

结果表明，在我国的华南、西南、华东以及华中的部分地区都有应用排水沥青面层的需求。

4）

开发了能见度模拟系统

图2.1-2雨天行车能见度仿真分析

采用OpenGL的雾化函数作为能见度模拟的基本公式并提出能见度综合影响因子density的概念，通过对大量的能见度现场测定数据进行处理、分析，建立了各能见度影响因素和density之间的关系，并在行车的虚拟场景中表现出来，从而完成了能见度的模拟。

5）分析得出了降雨量、路面空隙率对路基、基层含水量影响

对西部6省26个路段的路基含水量与路面空隙率及降雨量情况进行了调查，发现基层含水量与面层空隙率存在显著的线性相关，即路面空隙率越大，基层含水量也越大；

但降雨量与基层含水量没有线性关系。

路基含水量与路面空隙率的有较弱的线性关系，与降雨量不存在明显的相关性。

2.2沥青混合料的空隙率与排水效率及水损害的关系研究

本项目研究的是沥青面层排水技术。

这种技术主要是利用大空隙的沥青混合料，使水在沥青面层内部排走。

像排水沥青这样的路面是否会发生水损坏，目前我国部分高速公路出现的水损坏与沥青混合料的空隙率以及排水效率有什么样的关系，是一个重要的研究问题。

1）降雨、空隙率与路面水损害的关系

对4个省份的17多条高速公路典型路段进行了有关水损坏问题的调查，调查了近10种沥青路面抗滑表层类型，普遍进行了渗水试验。

对出现早期病害的某高速公路沥青路面专门进行了水损坏方面的调查，现场取样进行了有关水损坏的大量试验，取得了大量的第一手研究资料。

调查发现，我国高速公路沥青路面存在一定程度的渗水问题，调查路段有近40％的路段存在渗水问题，20％的路段出现严重的水损坏，分析不同路面渗水情况、水损坏情况与渗水系数的关系，得出了现场野外渗水系数平均值小于10ml/min时的控制标准。

调查发现，在目前使用的抗滑表层类型中，有的易引起水损坏问题，有的则易出现泛油与车辙问题，有的则抗滑性能较差，有的则同时出现不同类型病害，说明目前我国高速公路应用的抗滑表层还有一定问题，因此研究具有优良表面特性的排水性沥青路面符合我国公路建设形势的需要。

2）沥青混合料的空隙率与排水效率

采用三种不同的渗水试验方法，测定了不同空隙率沥青混合料的渗水系数，分析了沥青混合料的渗水性、排水性、储水性与不同性质的空隙构造（连通空隙、半连通空隙与独立空隙）的关系，得到了空隙率与渗水系数之间的经验公式，此公式适用空隙率范围从3％～26％，因此既可以用于判断密级配的沥青混合料是否渗水，也适用于分析排水性沥青混合料是否具有良好的排水功能。

3）沥青混合料空隙率对其性能影响规律研究

通过采用3种不同性能的沥青，20种级配的沥青混合料（空隙率范围从3%~26%）的大量性能试验与水损坏试验，得到了空隙率对沥青混合料性能与抗水损坏性能的影响规律，得出了不利的空隙率范围。

①总体上，空隙率对沥青混合料的性能影响是非常明显的，随着空隙率的增加，混合料各许多方面的性能基本上都是下降趋势，无论采用何种沥青，空隙率增加对材料的耐久性不利。

②密实型沥青混合料的抗水损坏性能最好；

排水沥青路面可以通过材料内部的大空隙排水作用来减轻路面水损坏。

③不同类型得大量试验充分证明了不利的沥青混合料空隙率一般在8～15％，这种沥青混合料中的半连通空隙、小空隙较多，排水速度缓慢，即使经过1个月左右的自然排水，其空隙内还有20％～30％左右的残留水分，通常会导致沥青路面的水损坏问题。

4）沥青混合料抗水损害试验方法研究

通过不同水损坏试验方法和试验结果的比较分析，评价了不同试验方法的优劣，得出了排水性沥青混合料的水损坏评价方法。

①浸水车辙试验是一种有效的检验沥青混合料抗水损坏能力的方法。

浸水车辙试验可以同时检验沥青混合料的高温稳定性与抗水损坏能力，同时也模拟了交通荷载对成型的沥青混合料的作用效应，是一种比较全面的、残酷条件下的沥青混合料检验方法。

在我国目前沥青路面水损坏较多的情况下，尤其对于重载交通道路与高温气候条件地区，有非常好的应用价值。

②沥青混合料渗水试验与自然排水试验可以检验沥青混合料的渗水性、排水性与储水性，这些方法简单、易行、有效，可以用于沥青混合料设计与施工控制。

③水煮法评价抗损坏简单易行，必须注意其结果主要反映沥青与集料的粘附性，其评价结果远不能作为评价沥青路面的抗水损坏能力的依据。

④对于排水沥青混合料的抗水损坏性能检验方法，可以考虑水煮法（或水浸法），浸水飞散试验和浸水车辙试验检验。

要求集料的粘附性大于4级；

对于浸水车辙试验检验评价指标可考虑剥落率与浸水动稳定度：

试轮碾压区剥落率要小于5％，浸水动稳定度要大于1500次/mm；

对于浸水飞散试验的飞散损失要小于25％。

2.3排水沥青材料及混合料设计研究

1）排水沥青混合料组成设计

通过均匀试验对两种最大公称粒径的排水性沥青混合料空隙率影响因素的分析，得出了排水性沥青混合料级配范围（见下表），可以作为排水沥青混合料级配设计的参考。

表2.3-1排水性沥青混合料的矿料级配范围

筛孔尺寸（mm）

通过率（%）

最大公称粒径13.2mm

最大公称粒径16.0mm

16.0

100

90～100

13.2

75～85

9.5

70～81

50～60

4.75

15～26

4～20

2.36

7～20

3～20

1.18

6～17

3～17

0.6

6～14

3～15

0.3

5～12

3～12

0.15

4～9

3～9

0.075

3～7

排水性沥青混合料的马歇尔稳定度试验变异性大，不宜用来确定排水性沥青混合料的最佳沥青用量。

排水性沥青混合料最佳沥青用量的确定应通过析漏试验先确定最大沥青用量，再通过飞散试验确定最小沥青用量，在此范围内参考马歇尔试验的结果，从而最佳沥青用量。

排水性沥青混合料的不同天数的飞散试验结果规律明显，是评价排水性沥青混合料水稳定性的有效方法。

2）关于排水沥青结合料

沥青材料的60℃粘度及软化点是影响排水性沥青混合料性能的关键指标，尤其对强度性能和耐久性影响较大。

在级配确定的条件下，它们与排水性沥青混合料的各项强度及耐久性能有着很强的相关性，60℃粘度及软化点越高，排水沥青混合料的性能越好。

因此，在进行排水性沥青混合料设计时，宜选择高粘度的改性沥青。

使用剂量为15%的TPS改性剂，沥青结合料可以达到高粘度沥青的技术标准，沥青混合料高温稳定性能好，具有较高的抗车辙能力。

低温性能、抗老化性能和水稳定性能均能满足排水性沥青混合料的要求。

TPS改性剂施工工艺简单，使用方便。

在综合性能上，掺加聚丙烯腈纤维的混合料虽稍逊于高粘度改性混合料，但仍能满足排水性沥青混合料技术要求。

在缺乏进口高粘度沥青条件下，聚丙烯腈等纤维稳定剂与SBS改性沥青的结合也不失为一种好的选择。

2.4排水沥青面层路面结构设计与施工技术研究

1）排水沥青面层的路面排水系统设计

通过对降雨入渗的物理过程及水文学分析，得到排水性路面产流的两种方式：

超渗产流与饱和产流。

通过分析研究建立了排水性路面排水表层渗流的计算模型，得到了排水表层内沿程变化的潜水厚度方程，同时得到潜水厚度最大值的位置和最大值。

为测定排水沥青混合料的横向渗透系数和竖向渗透系数，分别自行开发研制了2种不同类型的渗透仪，同时找出了横向和竖向渗透系数与连通孔隙率的关系：

和

。

路面内部排水系统包括排水层、集水（盲）沟、横向排水管等基础设施。

课题根据不同的路肩结构形式的路面排水方案进行了计算分析，通过路表水入渗率的确定、内部排水系统排水能力设计、排水表层退水时间计算、路面水膜厚度计算及出水口间距计算等提出了系统的排水设计计算方法，并给出设计示例。

2）设有排水沥青面层的路面结构力学分析

理论计算分析表明，应力强度因子

随着面层、基层、粘层温缩系数和弹性模量的增大而增大，随着面层、基层、粘层厚度的增大而减少，提出了减少排水性沥青路面反射裂缝的措施。

3）关于防水粘层材料的研究

为了增加层间粘结并防止排水面层的水渗入中、下面层，必须在排水面层与中面层之间设置防水粘层。

通过对排水性沥青路面结构力学计算，对排水性沥青表面层底及粘层材料处的应力状态进行了比较分析，提出了抗剪强度、抗拉拔强度等粘层材料的性能要求指标与标准。

根据以上的标准，对排水路面拟选用的防水粘层材料进行试验评定，其结论可供工程应用时参考。

3经济效益和应用前景

本项目经济效益主要有2个方面：

一、采用本项目技术，可以显著提高路面抗滑性能和雨天路面的安全特性，显著减少雨天交通事故，取得营运方面的经济和社会效益。

因为普通沥青路面降雨后存在表面水膜，路面抗滑能力降低，同时导致水漂、溅水、水雾等问题，路面安全性能差。

日本调查发现，普通铺面的高速公路雨天事故率是晴天事故率的9倍；

我国根据7条高速公路3万多事故数据的统计发现，雨天事故率是晴天事故率的4~5倍，多雨地区的山区高速公路安全问题更为突出。

二、通过有效地排除路面体内的积水能避免水损害的发生，延长路面使用寿命，取得工程经济方面的效益。

课题在宁杭二期句容段和重庆渝邻高速修筑了长3km试验路，工程实践表明：

①试验路的排水沥青面层抗滑性能，远超过我国技术规范要求的标准。

其中摆值超过规范要求的40％，而构造深度可以说是我国目前所有高速公路表层类型中最高的，超过规范技术要求的3.5倍以上。

②实际测定修筑的试验路路面的空隙率在20％左右，具有很好的排水性能。

雨天能迅速排除路表积水，防止了高速行车车辆形成“水漂”的可能性。

③雨天车辆行驶时不会产生“溅水”与“喷雾”现象，车辆行驶视线好，显著提高雨天路面的安全性。

③排水沥青路面还是一种低噪音路面，可以降低噪音3dB左右。

图3-1重庆渝邻高速试验路图3-2排水沥青面层雨天应用效果

因此排水沥青面层具有优良路用性能，非常适合在我国南方多雨地区的高速公路使用。

在西欧、美国、日本等国外则早以得到了广泛使用，在日本则规定所有管辖的新建或改建的高速公路表面层必须采用沥青面层排水技术。

在我国高速公路建设中，也必然有广阔的使用前景。

图3-3试验路的噪声比较