公路路面结构拼接部位的渗流分析

■王 豹

(苏交科集团股份有限公司，南京 210019)

0 引言

雨水降落到沥青路面后，一部分雨水通过横坡和纵坡流向路肩和路基外，也有相当一部分雨水会沿着路面裂缝、接缝、路表面渗入路面结构中，或沿着路面混合料的孔隙渗入到路面结构层内部；在地下水位高时，地下水也会通过毛细渗流进入到路面结构下部。进入路面结构内的自由水，可继续向路基下部和两侧路肩铺面结构渗流而逐渐排走。当路面排水设施年久失效，同时路基由低透水性土填筑，而路肩铺面结构层和土基也为低透水性时，进入到路面结构的自由水无法排出，因此会长时间积滞在路面结构内部。被围封在路面结构内的水分，会浸湿各结构层材料和路基土，使其强度降低，变形增加，从而使路面结构的承载力降低，在行车荷载的作用下形成水流，冲刷结构层材料。因此，有必要对拼接结构的渗流情况进行分析。

1 工程概况

某高速公路始建于1996年，在2000年年底完成高速化改造，采用双向四车道高速公路标准，设计速度100km/h。随着交通量的持续增加，该道路将无法满足未来几年交通需求，有必要进行拓宽改建。现状路基宽度为17m，包括行车道2×3.75m、硬路肩2×2.5m、土路肩2×0.75m、中分带2m和左、右侧路缘带2×0.5m。原沥青路面的路面结构为：4cmSMA-13+8cmSUP-20+5cmSMA-16+14cm老沥青路面+30cm二灰碎石+20cm二灰稳定土。经计算，既有硬路肩加铺后路面结构验算结果无法满足要求，考虑到采用硬路肩整体挖除方案，可以最大程度控制新旧路基沉降差异，避免硬路肩内部可能存在的隐形病害，有利于延长使用寿命。路面加宽施工时，首先将原有路面硬路肩挖除，剩下2×3.75m的行车道，然后分别挖台阶铺筑新沥青路面，新路面结构为：4cmSMA-13+6cm-SUP-20+9cmSUP-25+19cm水泥稳定碎石+19cm水泥稳定碎石+20cm低剂量水稳。因此，拓宽设计采用硬路肩整体挖除的拼接方案，如图1所示。

图1 道路拓宽拼接方案

国内外大量研究表明，在降雨初期以及雨停后的一段时间内，沥青混凝土路面是处于一种非饱水状态的，这是降雨期间路面的一个真实状态。在道路拓宽工程中，拼接部位往往是道路的薄弱环节，极易在拼接台阶处产生积水，严重影响道路的使用寿命，有必要对道路拼接台阶处积水产生过程和原因进行分析，采取必要的预防措施。ABAQUS有限元软件可对沥青路面在一定降雨强度条件下的渗流情况进行模拟，分析饱和状态和非饱水状态下降雨在路面结构内部的渗流规律，为后期进一步研究路面排水提供真实可靠的依据。

2 有限元模型建立

参考相关设计文件和现有路面结构(如图1)，建立降雨渗导路面模型。由于研究重点为路面结构内部渗流情况，而路面结构具有对称性，为了方便分析只建立右半边路幅模型。模型尺寸高5m，边坡坡度为1：1.5，横向坡长3m，向右侧延伸3m，边坡下土基深度3m，地下水位为路面以下4m。网格划分过程中，对沥青面层结构进行适当加密处理，半刚性基层及路基部分的网格较稀疏，其中沥青面层采用四边形网格，单元大小0.06m×0.06m，共有5400个；基层与底基层为四边形网格，单元大小0.10m×0.10m，共有6230个；土基为四边形网格，单元大小0.2m×0.2m，共有19320个。

路面材料渗流参数的设定中，为简化模型，将加铺路面沥青结构层视为同一材料，原沥青路面上部结构视为同一材料；而下部老沥青路面包括AC-16，AC-25Ⅰ，和AC-25Ⅱ，因孔隙率较大，视为同一材料；另外二灰碎石，水稳碎石基层和底基层的孔隙率较小，也视为同一材料。因此，假定各结构层间视为完全连续，假定水的流速和流量在各层之间连续分布；假定路表面无裂隙存在，渗流分析不考虑蒸发的影响；假定初始地下水位位于路表面以下4m的位置；根据相关资料，在正常降雨条件下，2h内即可认为沥青面层达到饱和状态，非饱水分析的降雨时间设定为2h，同时考虑排水规律与计算量，将降雨停止后的排水分析时间设定为一个月。

根据设计文件要求和有限元模型结构，设置9个数据分析点，如图2所示。数据分析点1、2、3、4分别位于表面层中部、SUP-25中面层中部、老沥青路面中部和基层中部。由于老沥青路面孔隙率较高，渗水系数较大，而下部的二灰碎石和右侧的水稳碎石基层渗水系数较小，可能存在雨水滞留现象，需要重点观察台阶处的含水量情况(如图2位置3)。另外，由于加宽路面宽度较大，台阶处滞留的雨水在降雨停止后，需要通过较长的渗流路径才能排出路面结构；在右侧水稳碎石基层，通过8号和9号测量点，分别观察上下两层水稳基层的含水量变化和渗流规律，通过分析得到雨水在路面各结构层内部的渗流规律。

图2 数据分析点位置示意图

3 路面渗流规律分析

3.1 初始状态结果分析

初始状态计算完成后，进行可视化处理模块，得到最终的饱和度分布云图和初始孔隙水压力分布云图，其中路面结构饱和度初始状态的云图如图3所示。

图3 路面结构饱和度初始状态

对比饱和度分布云图和初始孔隙水压力分布云图可知，水位以下的饱和度为1，水位以上饱和度迅速减小，这与路基路面水位的实际分布情况基本一致。孔隙水压力沿路面深度基本呈线性分布，路面底部孔压为100kPa，顶部为-200kPa(吸力)，与实际路面状态相符。研究表明，非饱和区的初始孔隙水压力在浸润面上初始孔隙水压力为零，向上基质吸力逐渐增大，但当超过某一高度后，则基质吸力保持不变。

3.2 降雨期间雨水入渗结果分析

在地下静水位作用下，各面层结构在降雨前处于非饱和状态，在降雨开始后，雨水的单位时间内实际入渗量达到最大值；当雨水渗入后，结构层快速储存渗入的水分，饱和度会显著地上升；一段时间后，各结构层现暂态的饱和区，入渗率也达到稳定值，而下部的结构还处于非饱和状态，故上部结构的水分开始向下部扩散，饱和度有所降低，直到趋于稳定，饱和度不再发生变化。通过读取各分析点的含水量，得到降雨期间各结构层含水量随时间的变化情况。

在降雨初始时刻，上面层沥青混凝土处于非饱和状态，体积含水量为6.63%。在降雨的前10s面层颗粒材料之间的基质吸力还未达到进水阀值，雨水还未进入面层内部，含水量没有明显增加，基本保持在初始含水量值。此阶段由于非饱和沥青混凝土渗透系数较低，单位入渗量受渗透系数的控制等于渗透系数强度，随着降雨的进行含水量缓慢增加，面层饱和度增加，基质吸力开始降低，渗透系数开始增大。当降雨进行到大约180s时出现一个拐点，含水量为6.71%，此时面层颗粒材料之间的基质吸力达到进水阀值，雨水开始大量进入面层，含水量迅速增加，到600s时含水量已达到7.89%。到900s左右含水量已基本达到饱和值，随着降雨的进行增加比较缓慢，在降雨进行到3900s左右时已达到完全饱和，含水量为8.00%。中面层、下面层的渗水情况与上面层基本一致，中面层在在300s后的增速开始减慢，到7200s雨停时已完全达到饱和状态，下面层在降雨结束时下面层还未达到完全饱和状态，因此，降雨期间新旧路面的台阶处还没有出现积水。水泥稳定碎石基层在雨停时仍处于非饱和状态，水还未进入到水泥稳定基层中部，底基层在降雨期间的含水量也保持平衡状态。

3.3 路面结构雨停后排水分析

考虑排水是一个很缓慢的过程，为了更加清楚地认识到水在路基路面内的运动情况，时间跨度适度增长到一个月时间，整个排水过程中未考虑蒸发的影响，降雨停止后20小时的渗流速度云图如图4所示。

由图4的渗流速度云图可知，在新老路面交界的台阶处有明显的积水现象，台阶处积水有沿右侧水稳基层顶面渗流的现象。左侧老沥青路面的渗水系数较高，而下部的二灰碎石和台阶右侧水泥稳定碎石的渗水系数较低(几乎不渗水)，且右侧水泥稳定碎石基层高出左侧二灰碎石顶面15.5cm，沿路面纵向形成了“水槽”，阻碍了雨水延路面横向的有效渗流，因此，在降雨停止后的台阶处出现了雨水积滞的现象。

在雨停时上面层已处于饱和状态，含水量为8.00%。排水过程中上面层路表边界无降雨补给，上面层雨水在重力作用下继续往下渗，处于排水状态。排水1h含水量降低到7.69%，面层由饱和状态进入非饱和状态，排水开始受基质吸力影响。在雨停后的第一周排水速率很快，含水量从8.00%降低到6.78%，在第四天时出现一个明显的拐点，排水速率开始减缓，这是因为刚开始时沥青混凝土饱和度很高，基质吸力很小，水可以自由排出。随着排水的进行，非饱和沥青混凝土饱和度越来越低，到第四天时已接近进水阀值，使排水变得越来越困难。到一个月时含水量降低到6.65%，已非常接近还未降雨时的含水量，排水已变得非常困难。分析结束时排水还未停止，基质吸力还在增加，当基质吸力达到进水阀值时便不再排水。

中面层排水规律与上面层基本一致，在雨停时中面层已达到饱和状态，雨停一个小时含水量只减少了0.14%，这是由于雨停初期上面层中还有较多的水往下渗透不断补给中面层。此后中面层一直处于非饱和排水阶段，从第四天开始变缓，到第一周排除了降雨进入中面层85.40%的水，到分析结束时含水量降低到6.67%，已基本达到初始状态的含水量。

在雨停时下面层含水量还未达到饱和状态，随着中上面层往下排水，下面层含水量还在不断增加，在雨停后的一个小时下面层含水量才达到饱和状态。之后开始排水，在第四天基质吸力达到进水阀值，排掉了进入下面层76.64%的水。分析结束时含水量降低到6.70%，排除了降雨进入下面层94.89%的水。

对比老沥青路面AC-16下面层和加铺路面SUP-25下面层含水量变化曲线，发现降雨停止后初期，台阶处沥青下面层排水速度与加铺路面下面层基本相同，随后老沥青路面下面层排水速度下降。加铺段SUP-25下面层在降雨后一周内排掉了86%的降水，之后排水速度显著降低。老路面下面层在一周内含水量降低了83%，之后与加铺路面下面层保持相同的速度缓慢排水。说明台阶处沥青混凝土排水速度较低，且排水时间较长，在计算期末即一个月之后仍然没有排除残留在下面层的所有降水。

由于在降雨停止时只有少部分雨水进入基层，在面层排水过程同时雨水不断下渗，水泥稳定碎石上基层含水量在面层排水1天时出现一个峰值，由初始状态的9.28%增加到13.68%，饱和度增加了76.92%。同时，老沥青路面在降雨过程中出现雨水滞留现象，在降雨停止之后，雨水沿着加铺的半刚性基层向路面边坡处渗流，因此路面上基层含水量是一个先增加后降低的过程。但半刚性基层一直未出现饱和状态，之后开始排水。在面层排水进行到第6天，水泥稳定碎石下基层中部含水量达到峰值10.38%，之后开始减少，由于面层在后半个月排水速率变得很低，所以下渗到基层的水量已不能补给基层往下渗的水量，导致基层还未达到饱和状态便开始了排水过程，到分析结束时含水量为9.66%。

图4 降雨停止后20h渗流速度云图

4 结论

(1)在降雨条件下，面层和上基层的体积含水量不断增大，上、中面层在雨停时都达到饱和。降雨停止后，渗入到结构层中的雨水通过路面边缘排出，上、中面层体积含水量迅速减小。在雨停后很短一段时间里由于上、中面层的雨水继续下渗，下面层和上基层体积含水量继续增大，但随后也逐渐减小。

(2)降雨停止后由于上中面层雨水下渗，原沥青路面下面层与加铺路面的水稳基层台阶处出现雨水积滞现象，台阶处孔隙水压力和渗流速度较大，台阶积水导致下面层含水量增大。

(3)排水阶段前7天，下面层水头高度高于加铺路面基层顶面，积水沿基层表面和SUP-25下面层排出路面的速度较快，下面层水头高度低于加铺路面基层后，排水速度明显降低。台阶处雨水向右侧半刚性基层渗流导致右侧半刚性上基层含水量增大，上基层含水量先达到峰值然后开始排水，总体上延长了上基层的排水时间。