市政道路沥青层透水性研究

刘 玮

(山西省晋中路桥建设集团有限公司，山西 晋中 030600)

1 概述

为了迎合“海绵城市”的建设和发展潮流，在省内最近几年的市政道路建设实践中，透水性沥青面层的使用日益广泛和普遍，所谓透水性沥青路面就是选用孔隙比较高的沥青混合料铺筑，满足沥青路面层水分下渗的要求。为了在满足承载能力的基础上，最大程度提升渗透能力，沥青路面面层、基层及底基层均使用透水性、孔隙比更高的筑路材料，保证路面正常服役过程中，路面水分能以最快速率下渗。市政透水性沥青混凝土路面的各层均具备透水性，路面积水可以快速经由面层及各基层直接下渗到地基内，从而起到富集水分的目的，不但可以快速排尽城市道路积水，还能缓解城市“热岛效应”，实现水资源的循环、高效利用。

但是，由于大量水分渗透到路面各结构层内，导致筑路材料长期处于饱水状态，在静水压力、动水压力及上部荷载的长期耦合作用下，导致面层、基层混合料颗粒之间的相互嵌锁力下降，最终表现为道路承载能力下降、路面结构整体性被削弱。结合省内部分城市的交通量分布特点，透水沥青混凝土市政道路主要被应用在交通量较低的支线道路或者专用道路中。

2 省内市政道路透水性沥青路面结构分析

2.1 省内市政道路透水沥青路面结构方案

结合JTG D50—2017公路沥青路面设计规范中的相关内容，在对透水性沥青层结构设计过程中，必须结合省内施工地区的地质、水文、气候、交通量等相关因素，并结合现场试验，制定最合理的透水沥青层结构形式，并精确计算各结构层的厚度值。

针对透水沥青路面设计问题，由于透水沥青各层碎石粒径级配连续性低，混合料孔隙比较大，沥青各层的综合承载能力较低，因此，在制定沥青层方案时，必须优先解决路面的透水效率问题，在保证透水效率的基础上，保证透水沥青的承载能力、稳定性及耐久性相关指标满足实际要求。在设计透水沥青结构层时，沥青各层并非是单纯的结构层标量叠加，经优化后的结构层设计必须体现在不同层的协调变形能力，最大程度发挥不同结构层的性能优势。本工程项目结合省内道路使用工况要求，设计了如下三个透水沥青结构层方案，透水沥青道路宽度B=8 m，纵坡率值i1=1.5%，断面横向超高坡率值i2=2.5%。三种设计方案见图1。

其中，设计方案一中，由上至下各层材料分别为：沥青表面层、沥青混凝土稳定碎石面层、连续级配碎石基层、渗透性土工材料层、夯实地基层；设计方案二中，由上至下分别为：沥青表面层、沥青混凝土稳定碎石面层、沥青混凝土稳定碎石基层、连续级配碎石基层、渗透性土工材料层、夯实地基层；设计方案三中，由上至下分别为：沥青表面层、沥青混凝土稳定碎石面层、水泥混凝土稳定碎石基层、连续级配碎石基层、渗透性土工材料层、夯实地基层。经施工项目现场试验分析可知，设计方案一的整体承载能力较差，在上部荷载作用下容易出现不均匀沉降病害，不满足车辆等中、重交通量要求，该设计方案适用于市政步道、人行道、广场、步行街等施工项目中。设计方案二的承载能力和变形刚度较方案一有了显著提升，但承载能力尚不满足市政公路通行要求，因此，被普遍应用在小区专用道路、停车场等施工项目中。设计方案三属于典型的半刚性基层体系，其承载能力和变形刚度均达到市政道路的设计要求，可以应用在市政主干道的施工项目中。

2.2 市政道路透水沥青层内部排水结构

透水沥青层道路结构体系可以保证渗透至沥青层内的水分最终顺利渗透到地基中，及时补充地下水，实现水资源的循环、高效利用；但是，若地基土的吸水性较低时，将导致各基层中渗透的水分无法及时吸收，最终集聚在各基层中。结合项目现场调查情况，大部分的渗透水在路基中的流速较低，能够视为是层流体，地基的渗透性指标可知，借助达西定律能够计算出透水沥青层的排水时间，本项目的计算结果如表1所示。

表1 透水沥青层结构水分外排时间(0.1 m3)

分析表1可知，若沥青路基土层的渗透系数指标K≤10-5cm/s，对应的沥青层结构所排出0.1 m3水分需要的时间为7 d；若K≤10-7cm/s时，对应的排出0.1 m3水分需要的时间将近一年，在该情况下，沥青路面结构基本视为是密封的，能够认为是路面结构体系被整体置于封闭式“水浴”内，渗透到沥青层的水分无法快速渗透到基底，长期滞留在路面各结构层中，形成结构层积水。一旦沥青结构层中积水无法顺利渗透，将对沥青各层结构产生严重的破坏和影响，由于自由水的长期浸泡和冲刷，导致沥青混合料之间的相互嵌锁能力下降，承载能力随之被削弱，在上部车辆荷载的瞬时作用下，传递至各层的荷载将对积水产生一定的挤压力，进而形成高压水柱，沥青混合料碎石在高压水柱的冲刷下将引发沥青路面“唧泥”，进而引发车辙、开裂等病害；此外，省内冬季大部分地区进入冰冻期，若冰冻深度超过路面厚度值，将在高于地下水的位置出现严重的不均匀冻胀病害，导致沥青各层出现脱空和错台病害。

综上，为了保证透水性沥青层结构的长期、可持续服役能力，必须在路面内部布设相应的排水体系，能够及时将各层积水引流至路面结构以外，有利于改善沥青路面的承载能力，延长服役时限。

3 外荷载作用下的透水性沥青层承载能力影响因素

本文以省内某市市政高速连接线施工项目为例，连接线项目路基路面结构拟使用透水性沥青层结构体系，为了满足区域交通量设计要求，保证市政道路的通行能力，路基路面结构选用2.1中的方案三，着重对设计方案三的承载能力影响因素进行全面分析。

为了遴选出最佳的设计方案，分别调整透水沥青基层的组合形式、底基层级配碎石弹性模量及地基弹性模量等数值，并计算相应的受力计算。表2为备选设计方案。

表2 备选设计方案

图2为不同影响因素下的设计方案三承载能力变化情况。

经对比，在上部车辆荷载作用下，设计方案三相较于其他设计方案的形变量小，在正常承载条件下，设计方案三的路面最大弯沉值为0.481 mm，通过提升地基土弹性模量值能够降低路面的刚性变形。相较于复合基层，通过提高水稳碎石基层厚度值能够控制弯沉值，但设计方案三中的水稳碎石基层层底的拉应力值增加，并和级配碎石基层的弹性模量值呈负相关关系，但总体上低于沥青碎石基层底部的拉应力降低幅值。

4 结语

通过工程实践研究表明，透水沥青层路面结构体系能够很好地解决城市市政道路的积水问题，实现水资源的高效循环利用；透水性沥青路面设计有别于一般的沥青路面结构，必须在满足透水性要求的基础上，确保市政道路的承载能力、刚度等满足设计要求；在后续的工程实践研究中，还应继续深化对透水性沥青路面设计的精准性，及早建立统一的设计标准和规范。