渗水对沥青道路的影响分析

姜　萌

摘要:公路路基施工中,在土体未达到最佳含水量碾压夯实,虽然刚开始达到其最大的强度值,但当外界水分侵入土体时,土体的水稳定性不好,其强度降低幅度会很大。文章通过渗水对沥青混凝土路面及路基的影响及降雨入渗的过程及特点分析,对渗水对沥青道路的影响做了简要的概括和总结。

关键词:公路路基;沥青路面;渗水

中图分类号:U416.217文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)08-0160-02

现有的路基路面排水系统往往只重视把地表水排到公路路界以外,而不重视排除由于降雨而形成的路基路面结构内部滞水,在没有设置有效的路基路面结构内部排水系统的情况下,这种内部滞水的危害性是相当大的,它可以使路基路面材料的力学性质发生变化,影响路基路面的强度和稳定性,是导致我国一部分公路路基路面早期损坏的重要原因之一。实践证明沥青凝上并不是不透水,甚至有的是强透水。降落在路面上的水,大部分以路面径流的方式通过路表面的横向和纵向坡度流向路肩和路基外,而总有相当部分会沿路面接缝和裂缝、路面混合料的孔隙、路面和路肩的接缝以及无铺面的路肩渗入路面结构内,在地下水位高时,地下水会通过毛细渗流进入路面结构,在季节性冰冻地区,积聚在路床上部的自由水也会进入路面结构。

1渗水对沥青混凝土路面及路基的影响

在降雨过程中,雨水就会进入并滞留在表面层沥青混凝土的孔隙中,且向外渗流的速度很慢,需要数周或数月才能慢慢排除,整个路面结构或者部分结构层(面层或上面层)便类似于被安置在封闭的槽式“浴盆”内,被围封在路面结构内的这部分水分,会浸湿路面结构各层材料和路基土,使其强度下降,变形增加,从而使路面结构的承载力降低。在大量快速行车的作用下,一次一次产生的动水压力(孔隙水压力)使沥青从碎石表面剥落下来,局部沥青混凝土变得很松散,碎石被车轮甩出,路面将产生坑洞(塘),若雨水进入并滞留在表面层和中面层,在大量快速行车荷载的作用下,这两层内沥青混凝土中部碎石上的沥青剥落,导致表面产生网裂、形变(下陷)和向外侧推挤,或产生坑洞(塘),若雨水透过沥青面层(两层式或三层式)滞留在半刚性基层顶面,在大量快速行车作用下,自由水产生很大的压力并冲刷基层混合料表层的细料,形成灰白色浆,灰浆被行车压侵到路表面,在灰浆数量大的情况下,可能立即产生坑洞,在数量小的情况下,可使路面网裂或变形,若某处产生网裂或形变后,降水就更容易透入,并产生恶性循环,最终导致路面破坏。

路基的沉降变形主要是由于路基土体在外力和上体自重的作用下孔隙而引起的。很显然,在接近最佳含水量时进行碾压施工,土体压实程度较高体压实度越大、孔隙比越小,土体抵抗压缩的能力就越强,越不易沉降。当路基填料含水量较高时,由于受孔隙水压的影响,被水充填的孔隙不易被缩,但当填筑后随着外力的长期作用,地基会产生蠕变,水分会慢慢地被挤出体中的孔隙也会渐渐被压缩而最终导致路基下沉。

2降雨入渗的过程及特点分析

降雨入渗实质上是水分在土壤包气带中的运动,是一个涉及两相流的过程,即水在下渗过程中驱替空气的过程。降雨入渗是一个非常不恒定的过程,入渗率又与地表介质的含水量密切相关,这种入渗过程十分复杂。在地下水埋深比较浅时降雨入渗的水分在非饱和区的运动和饱和区的地下水分是相互联系的,可以在较短的时间内使地下水位有较大的提高。另外,降雨入渗所补给的水分势必会提高土壤的饱和度,从而降低土壤的抗剪强度,严重时将导致事故的发生。大气降水至地面即开始入渗过程。若地表上层或岩层湿度不大,在分子引力作用下降水为地表介质吸收为薄膜水。当薄膜水量达到最大值,入渗水则填充介质中的毛细裂缝形成毛细水,即所谓毛细水下渗。当缝隙的开度很不均匀时,毛细水只能填充缝隙内开度较小的那部分面积,开度较大的那部分缝隙仍为空气所占据,介质处于非饱和状态,形成非饱和渗流。当地下水位埋深较浅,降水强度较大且持续时间较长时,地下水位逐渐上升至地表而达到饱和状态,形成连续的饱和渗流。通常地下水位埋藏均有一定深度,一次降水地下水位上升值不大,难以达到饱和入渗的条件。降雨停止后,随着时间的延续,由于上部路面结构层的暂态饱和区有所消散,路基中的地下水位线有所上升,但并不是很明显。这是因为路基中的地下水位线太低,对路面结构层的暂态饱和区的消散没有起到很大的作用。如果地下水位线高到足够与由于降雨作用而形成的路面结构层暂态饱和区相呼应的水位,那么路面结构层和边沟反滤层材料内的暂态饱和区的水流在重力的作用下向路基填料中快速消散,这样路基上部土体的非饱和区就和下部的饱和区形成水头差,导致上部水体不断下渗,直到与下部饱和区连接。这种情况反复不断地循环,最后致使路基中的地下水位线不断上升,而使得暂态饱和区的水分得以足够消散,那么路基中地下水位线将会明显上升,以致升高到足以影响路面结构层的干燥性。因此在实际工程中我们应做好详尽的地质水文勘测,通过模拟降雨条件,然后再决定采用相应的路基路面结构的排水设施(如设置渗沟)。如果在非降雨情况下所勘探的地下水位认为较低,而不设置任何排水设施,那么在降雨的作用在路基路面结构层中形成暂态饱和区,降雨停止后暂态饱和区不断向路基下方消散,最后致使地下水位线不断上升,导致整个路基处于饱和水的作用下,使得路基土体不断软化,从而影响路基的承重性以及稳定性。

3 结语

文章通过对渗水对沥青混凝土路面及路基的影响原因及降雨入渗的过程及特点分析可以看出以下几个结论。首先,降雨对填埋深度比较深的路基填土影响较小,且具有滞后性,只有当降雨量较大时,路基填土的含水量才会有明显的变化,对填埋较浅的路基填土影响较

为明显,降雨后含水量就有明显的上升,天晴时,路基填土含水量降低较多。其原因是在降雨量小时,路基上部的土层对降雨的渗透起了一定的阻拦作用,由于填埋较浅的土层细颗粒组成较多,对降雨后渗入土层中孔隙水吸附能力较强,形成结合水,只有当降雨量大时,上层填料含水量继续增加后,渗入土层中的水克服细小土颗粒和水分子之间的分子引力,才会对填埋较深土层的含水量有明显的影响。而较浅的路基较直接面对大气降雨和蒸发,受天气变化的影响较大。第二,位于路基边缘的路基填土在降雨天晴后,含水量的降低速度比较快,而位于路基中间的填土含水量降低较为缓慢。由于位于路基边缘的路基填土处于半封闭状态,降雨后其中的水分通过蒸发(蒸发面面积较大)及向路基外侧流出较快,故其降雨后天晴的含水量降低较快,相比之下路基中间的填料含水量消散方式比较单一,向路基深处渗流较为有限且缓慢。路基填土中的粉质土砾层比强风化页岩填料层含水量要高,粉质土砾的细颗粒组成比强风化页岩的多,粉质土砾的路基填料孔隙率较小,其水分的蒸发比孔隙率大的强风化页岩层路基慢,且粉质土砾细粒较多,比表面积大,吸附水能力较强,故其填料中的含水量较高。

参考文献:

[1] 沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象与防治[M].北京:人民交通出版社,2000.

[2] 雷志栋,杨诗秀,谢森传.土壤水动力学[M].北京:清华大学出版社,1988.

[3] JTJ01一2003,中华人民共和国交通部标准.公路路基设计规范[S].

[4] 谢春红,陈平.有限单元法在不稳定渗流分析中的初步应用[J].水利水运科技情报,1975,(7).