公路路面結構拼接部位的滲流分析

■王 豹

(蘇交科集團股份有限公司，南京 210019)

0 引言

雨水降落到瀝青路面后，一部分雨水通過橫坡和縱坡流向路肩和路基外，也有相當一部分雨水會沿著路面裂縫、接縫、路表面滲入路面結構中，或沿著路面混合料的孔隙滲入到路面結構層內部；在地下水位高時，地下水也會通過毛細滲流進入到路面結構下部。進入路面結構內的自由水，可繼續向路基下部和兩側路肩鋪面結構滲流而逐漸排走。當路面排水設施年久失效，同時路基由低透水性土填筑，而路肩鋪面結構層和土基也為低透水性時，進入到路面結構的自由水無法排出，因此會長時間積滯在路面結構內部。被圍封在路面結構內的水分，會浸濕各結構層材料和路基土，使其強度降低，變形增加，從而使路面結構的承載力降低，在行車荷載的作用下形成水流，沖刷結構層材料。因此，有必要對拼接結構的滲流情況進行分析。

1 工程概況

某高速公路始建于1996年，在2000年年底完成高速化改造，采用雙向四車道高速公路標準，設計速度100km/h。隨著交通量的持續增加，該道路將無法滿足未來幾年交通需求，有必要進行拓寬改建。現狀路基寬度為17m，包括行車道2×3.75m、硬路肩2×2.5m、土路肩2×0.75m、中分帶2m和左、右側路緣帶2×0.5m。原瀝青路面的路面結構為：4cmSMA-13+8cmSUP-20+5cmSMA-16+14cm老瀝青路面+30cm二灰碎石+20cm二灰穩定土。經計算，既有硬路肩加鋪后路面結構驗算結果無法滿足要求，考慮到采用硬路肩整體挖除方案，可以最大程度控制新舊路基沉降差異，避免硬路肩內部可能存在的隱形病害，有利于延長使用壽命。路面加寬施工時，首先將原有路面硬路肩挖除，剩下2×3.75m的行車道，然后分別挖臺階鋪筑新瀝青路面，新路面結構為：4cmSMA-13+6cm-SUP-20+9cmSUP-25+19cm水泥穩定碎石+19cm水泥穩定碎石+20cm低劑量水穩。因此，拓寬設計采用硬路肩整體挖除的拼接方案，如圖1所示。

圖1 道路拓寬拼接方案

國內外大量研究表明，在降雨初期以及雨停后的一段時間內，瀝青混凝土路面是處于一種非飽水狀態的，這是降雨期間路面的一個真實狀態。在道路拓寬工程中，拼接部位往往是道路的薄弱環節，極易在拼接臺階處產生積水，嚴重影響道路的使用壽命，有必要對道路拼接臺階處積水產生過程和原因進行分析，采取必要的預防措施。ABAQUS有限元軟件可對瀝青路面在一定降雨強度條件下的滲流情況進行模擬，分析飽和狀態和非飽水狀態下降雨在路面結構內部的滲流規律，為后期進一步研究路面排水提供真實可靠的依據。

2 有限元模型建立

參考相關設計文件和現有路面結構(如圖1)，建立降雨滲導路面模型。由于研究重點為路面結構內部滲流情況，而路面結構具有對稱性，為了方便分析只建立右半邊路幅模型。模型尺寸高5m，邊坡坡度為1：1.5，橫向坡長3m，向右側延伸3m，邊坡下土基深度3m，地下水位為路面以下4m。網格劃分過程中，對瀝青面層結構進行適當加密處理，半剛性基層及路基部分的網格較稀疏，其中瀝青面層采用四邊形網格，單元大小0.06m×0.06m，共有5400個；基層與底基層為四邊形網格，單元大小0.10m×0.10m，共有6230個；土基為四邊形網格，單元大小0.2m×0.2m，共有19320個。

路面材料滲流參數的設定中，為簡化模型，將加鋪路面瀝青結構層視為同一材料，原瀝青路面上部結構視為同一材料；而下部老瀝青路面包括AC-16，AC-25Ⅰ，和AC-25Ⅱ，因孔隙率較大，視為同一材料；另外二灰碎石，水穩碎石基層和底基層的孔隙率較小，也視為同一材料。因此，假定各結構層間視為完全連續，假定水的流速和流量在各層之間連續分布；假定路表面無裂隙存在，滲流分析不考慮蒸發的影響；假定初始地下水位位于路表面以下4m的位置；根據相關資料，在正常降雨條件下，2h內即可認為瀝青面層達到飽和狀態，非飽水分析的降雨時間設定為2h，同時考慮排水規律與計算量，將降雨停止后的排水分析時間設定為一個月。

根據設計文件要求和有限元模型結構，設置9個數據分析點，如圖2所示。數據分析點1、2、3、4分別位于表面層中部、SUP-25中面層中部、老瀝青路面中部和基層中部。由于老瀝青路面孔隙率較高，滲水系數較大，而下部的二灰碎石和右側的水穩碎石基層滲水系數較小，可能存在雨水滯留現象，需要重點觀察臺階處的含水量情況(如圖2位置3)。另外，由于加寬路面寬度較大，臺階處滯留的雨水在降雨停止后，需要通過較長的滲流路徑才能排出路面結構；在右側水穩碎石基層，通過8號和9號測量點，分別觀察上下兩層水穩基層的含水量變化和滲流規律，通過分析得到雨水在路面各結構層內部的滲流規律。

圖2 數據分析點位置示意圖

3 路面滲流規律分析

3.1 初始狀態結果分析

初始狀態計算完成后，進行可視化處理模塊，得到最終的飽和度分布云圖和初始孔隙水壓力分布云圖，其中路面結構飽和度初始狀態的云圖如圖3所示。

圖3 路面結構飽和度初始狀態

對比飽和度分布云圖和初始孔隙水壓力分布云圖可知，水位以下的飽和度為1，水位以上飽和度迅速減小，這與路基路面水位的實際分布情況基本一致。孔隙水壓力沿路面深度基本呈線性分布，路面底部孔壓為100kPa，頂部為-200kPa(吸力)，與實際路面狀態相符。研究表明，非飽和區的初始孔隙水壓力在浸潤面上初始孔隙水壓力為零，向上基質吸力逐漸增大，但當超過某一高度后，則基質吸力保持不變。

3.2 降雨期間雨水入滲結果分析

在地下靜水位作用下，各面層結構在降雨前處于非飽和狀態，在降雨開始后，雨水的單位時間內實際入滲量達到最大值；當雨水滲入后，結構層快速儲存滲入的水分，飽和度會顯著地上升；一段時間后，各結構層現暫態的飽和區，入滲率也達到穩定值，而下部的結構還處于非飽和狀態，故上部結構的水分開始向下部擴散，飽和度有所降低，直到趨于穩定，飽和度不再發生變化。通過讀取各分析點的含水量，得到降雨期間各結構層含水量隨時間的變化情況。

在降雨初始時刻，上面層瀝青混凝土處于非飽和狀態，體積含水量為6.63%。在降雨的前10s面層顆粒材料之間的基質吸力還未達到進水閥值，雨水還未進入面層內部，含水量沒有明顯增加，基本保持在初始含水量值。此階段由于非飽和瀝青混凝土滲透系數較低，單位入滲量受滲透系數的控制等于滲透系數強度，隨著降雨的進行含水量緩慢增加，面層飽和度增加，基質吸力開始降低，滲透系數開始增大。當降雨進行到大約180s時出現一個拐點，含水量為6.71%，此時面層顆粒材料之間的基質吸力達到進水閥值，雨水開始大量進入面層，含水量迅速增加，到600s時含水量已達到7.89%。到900s左右含水量已基本達到飽和值，隨著降雨的進行增加比較緩慢，在降雨進行到3900s左右時已達到完全飽和，含水量為8.00%。中面層、下面層的滲水情況與上面層基本一致，中面層在在300s后的增速開始減慢，到7200s雨停時已完全達到飽和狀態，下面層在降雨結束時下面層還未達到完全飽和狀態，因此，降雨期間新舊路面的臺階處還沒有出現積水。水泥穩定碎石基層在雨停時仍處于非飽和狀態，水還未進入到水泥穩定基層中部，底基層在降雨期間的含水量也保持平衡狀態。

3.3 路面結構雨停后排水分析

考慮排水是一個很緩慢的過程，為了更加清楚地認識到水在路基路面內的運動情況，時間跨度適度增長到一個月時間，整個排水過程中未考慮蒸發的影響，降雨停止后20小時的滲流速度云圖如圖4所示。

由圖4的滲流速度云圖可知，在新老路面交界的臺階處有明顯的積水現象，臺階處積水有沿右側水穩基層頂面滲流的現象。左側老瀝青路面的滲水系數較高，而下部的二灰碎石和臺階右側水泥穩定碎石的滲水系數較低(幾乎不滲水)，且右側水泥穩定碎石基層高出左側二灰碎石頂面15.5cm，沿路面縱向形成了“水槽”，阻礙了雨水延路面橫向的有效滲流，因此，在降雨停止后的臺階處出現了雨水積滯的現象。

在雨停時上面層已處于飽和狀態，含水量為8.00%。排水過程中上面層路表邊界無降雨補給，上面層雨水在重力作用下繼續往下滲，處于排水狀態。排水1h含水量降低到7.69%，面層由飽和狀態進入非飽和狀態，排水開始受基質吸力影響。在雨停后的第一周排水速率很快，含水量從8.00%降低到6.78%，在第四天時出現一個明顯的拐點，排水速率開始減緩，這是因為剛開始時瀝青混凝土飽和度很高，基質吸力很小，水可以自由排出。隨著排水的進行，非飽和瀝青混凝土飽和度越來越低，到第四天時已接近進水閥值，使排水變得越來越困難。到一個月時含水量降低到6.65%，已非常接近還未降雨時的含水量，排水已變得非常困難。分析結束時排水還未停止，基質吸力還在增加，當基質吸力達到進水閥值時便不再排水。

中面層排水規律與上面層基本一致，在雨停時中面層已達到飽和狀態，雨停一個小時含水量只減少了0.14%，這是由于雨停初期上面層中還有較多的水往下滲透不斷補給中面層。此后中面層一直處于非飽和排水階段，從第四天開始變緩，到第一周排除了降雨進入中面層85.40%的水，到分析結束時含水量降低到6.67%，已基本達到初始狀態的含水量。

在雨停時下面層含水量還未達到飽和狀態，隨著中上面層往下排水，下面層含水量還在不斷增加，在雨停后的一個小時下面層含水量才達到飽和狀態。之后開始排水，在第四天基質吸力達到進水閥值，排掉了進入下面層76.64%的水。分析結束時含水量降低到6.70%，排除了降雨進入下面層94.89%的水。

對比老瀝青路面AC-16下面層和加鋪路面SUP-25下面層含水量變化曲線，發現降雨停止后初期，臺階處瀝青下面層排水速度與加鋪路面下面層基本相同，隨后老瀝青路面下面層排水速度下降。加鋪段SUP-25下面層在降雨后一周內排掉了86%的降水，之后排水速度顯著降低。老路面下面層在一周內含水量降低了83%，之后與加鋪路面下面層保持相同的速度緩慢排水。說明臺階處瀝青混凝土排水速度較低，且排水時間較長，在計算期末即一個月之后仍然沒有排除殘留在下面層的所有降水。

由于在降雨停止時只有少部分雨水進入基層，在面層排水過程同時雨水不斷下滲，水泥穩定碎石上基層含水量在面層排水1天時出現一個峰值，由初始狀態的9.28%增加到13.68%，飽和度增加了76.92%。同時，老瀝青路面在降雨過程中出現雨水滯留現象，在降雨停止之后，雨水沿著加鋪的半剛性基層向路面邊坡處滲流，因此路面上基層含水量是一個先增加后降低的過程。但半剛性基層一直未出現飽和狀態，之后開始排水。在面層排水進行到第6天，水泥穩定碎石下基層中部含水量達到峰值10.38%，之后開始減少，由于面層在后半個月排水速率變得很低，所以下滲到基層的水量已不能補給基層往下滲的水量，導致基層還未達到飽和狀態便開始了排水過程，到分析結束時含水量為9.66%。

圖4 降雨停止后20h滲流速度云圖

4 結論

(1)在降雨條件下，面層和上基層的體積含水量不斷增大，上、中面層在雨停時都達到飽和。降雨停止后，滲入到結構層中的雨水通過路面邊緣排出，上、中面層體積含水量迅速減小。在雨停后很短一段時間里由于上、中面層的雨水繼續下滲，下面層和上基層體積含水量繼續增大，但隨后也逐漸減小。

(2)降雨停止后由于上中面層雨水下滲，原瀝青路面下面層與加鋪路面的水穩基層臺階處出現雨水積滯現象，臺階處孔隙水壓力和滲流速度較大，臺階積水導致下面層含水量增大。

(3)排水階段前7天，下面層水頭高度高于加鋪路面基層頂面，積水沿基層表面和SUP-25下面層排出路面的速度較快，下面層水頭高度低于加鋪路面基層后，排水速度明顯降低。臺階處雨水向右側半剛性基層滲流導致右側半剛性上基層含水量增大，上基層含水量先達到峰值然后開始排水，總體上延長了上基層的排水時間。