一种路面的级配碎石排水基层的平衡设计方法与流程

本发明属于路面工程领域，具体涉及一种路面的级配碎石排水基层的平衡设计方法。

背景技术：

在降雨过程中，大部分水从路面横坡和纵坡流向边沟，而还有一部分水通过路面裂缝渗入到路面内部，此外，地下水存在毛细作用以及蒸发运动也有可能导致水进入路面结构内部，同时水未及时排出，在行车荷载作用下，加速病害的产生。因此，针对路面水损坏问题，国内外学者做了大量研究，设置路面内部排水系统可以有效的防止病害产生，延长路面的服务寿命。在柔性路面结构当中，设置级配碎石排水基层，有利于减少路面早期产生的反射裂缝。另一方面，以各种方式进入路面结构内部的自由水是造成或加速路面损坏的主要原因，而路面内部排水系统设置级配碎石排水层可将积聚在路面结构内的水分及时排除，非常有利于改善路面的使用性能，并大大提高路面的使用寿命，进而能取得可观的经济效益。

在整个路面结构中设置排水基层的目的是有效地排出路面结构内的水从而减少损害的产生，而且在一定程度上可以消散面层底部或面层内部的由于交通荷载而产生的孔隙水压力。通过面层入渗的水在排水基层汇集，进而在排水基层中形成一定高度的水位。该水位高度可以作为评价排水基层有效性的一个指标，并且为合理设计排水基层厚度提供理论依据。如今，一种应用较为广泛排水基层厚度设计的方法是基于排水基层中形成稳定流时的排水能力等于或者大于基于设计降雨量的渗水量的假设提出的(depth-of-flow)，并以排水基层中形成最大水位高度作为排水基层的设计厚度。另一方面，从路面整体结构厚度设计的角度出发，当确定路面结构方案，需要对该结构进行力学验算，以判断所设计的结构是否满足设计要求。而我国现行柔性路面结构设计方法大多采用力学-经验的方法，设计指标为弯沉值和结构层的层底拉应力。

级配碎石排水基层的厚度设计时国内一般会重点考虑排水基层的强度，并用达西定律来简单估算级配碎石排水基层的厚度，这样很容易导致排水基层过厚。为满足排水基层的排水要求，美国在其规范中根据depth-of-flow来设计级配碎石排水基层的厚度，但这样确定排水基层的渗透性能时其设计方法仍然不够合理。

因此，本领域需要一种更优的路面的级配碎石排水基层的设计方法。

技术实现要素：

因此，本发明提供一种路面的级配碎石排水基层的平衡设计方法，所述方法包括根据级配碎石排水基层的渗透性能和强度而设计级配碎石排水基层的厚度，且具体包括根据排水基层的渗透性能设计出排水基层的最小厚度，并根据排水基层的强度设计出排水基层的最大厚度，最终排水基层的厚度从满足这两个条件的数据中取值；且在设计排水基层的最小厚度时，将排水基层分为在上的水份非饱和区和在下的水份饱和区。

在现有设计中，级配碎石排水基层厚度的设计有两种思路，一方面是满足排水要求，通过水位高度来确定厚度，另一方面是结合力学强度给出设计厚度。级配碎石排水层的应用需要满足这两方面的要求，假设排水能力好，根据与级配的孔隙参数的联系，孔隙率大，这样会造成强度降低，可能影响整个路面的变形。同样，级配密实，强度大，排水要求或许达不到要求。因此为进一步完善级配碎石排水层设计，综合渗透性能和强度要求是非常有必要的。本专利中首先是结合以上排水基层厚度设计要求，建立出一种既满足强度要求又满足排水要求的排水基层设计方法。其次，本发明在设计排水基层的最小厚度时，将排水基层分为在上的水份非饱和区和在下的水份饱和区，本发明中考虑了水份“非饱和区”的影响，使得本发明中对级配碎石排水基层的设计更为精准合理。

在一种具体的实施方式中，在设计排水基层的最小厚度时，采用布辛奈斯克方程或根据该方程变换出的方程准确描述排水基层中的水位分布情况。

在一种具体的实施方式中，在设计排水基层的最小厚度时，根据级配碎石的代表粒径d50、孔隙率n和p0.075这三个参数，得到渗透系数k随这三个参数变化的趋势，进而得出渗透系数k与排水基层厚度之间的关系，以确定排水基层的最小厚度。

在一种具体的实施方式中，室内试验建立碎石的级配类型与渗透系数k的关系，因此获取渗透系数k随这三个参数变化的趋势。

在一种具体的实施方式中，在设计排水基层的最大厚度时，根据级配碎石的代表粒径d50、孔隙率n和p0.075这三个参数，得到动态模量mr随这三个参数变化的趋势，进而根据动态模量mr、设计弯沉和面层层底拉应力确定排水基层厚度的取值范围，以确定排水基层的最大厚度。

在一种具体的实施方式中，室内试验建立碎石的级配类型与动态模量mr的关系，因此获取动态模量mr随这三个参数变化的趋势。

在一种具体的实施方式中，所述排水基层的平衡设计方法还包括在设计其厚度的同时选择级配碎石排水基层的级配材料。

有益效果：以往技术采用达西定律来估算排水基层的厚度，未考虑排水基层中水位的具体分布情况，不能合理地描述排水基层的排水能力。本发明采用boussinesq(布辛奈斯克)方程，准确描述排水基层中的水位分布情况，以此确定排水要求的最小厚度；结合排水基层的受力特点，根据表征级配性能的参数，包括代表粒径d50、孔隙率n和p0.075，作为确定基层厚度的控制指标，以确定排水基层的最大厚度。最终通过满足排水和受力两方面来确定排水基层的合理厚度。

附图说明

图1为二维路面排水渗流模型图。

图2为级配碎石排水基层平衡设计方法流程示意图。

图3为实施例1中的倒装式沥青路面结构图。

具体实施方式

路面结构设计的目的就是为了提供一种与气候环境和地质条件相适应的合理的路面结构，而设置级配碎石排水基层的一个明显优势是可以有效排水，针对中国地势气候复杂性，这一功能对于改善路面使用状况和延长道路使用寿命有重要意义。在进行路面结构设计时，首先要了解实际工程情况，包括气候、路基土承载能力、交通量大小以及材料，根据这些情况假定一些路面结构，通过力学计算来确定路面结构层厚度，再从多个备选方案中进行经济分析，以确定最优方案，从而决定结构层的设计。

本专利以此为背景，针对级配碎石排水层厚度设计进行研究，通过开展级配碎石渗透性能实验和大型动三轴实验研究，提出级配碎石排水基层平衡设计方法。以级配设计组成为出发点，确定表征级配碎石性能的特征指标，包括代表粒径d50、孔隙率n和p0.075(小于0.075mm颗粒的通过率)。通过控制这些指标，应用到级配碎石排水基层厚度设计当中。从以下两点讨论级配类型如何影响排水层厚度的设计，即平衡设计方法的思路有两条主线：

(1)确定排水基层最小厚度

基于depth-of-flow设计理论，以排水层中最大高度作为排水基层的设计厚度。通过分析非饱和和排水模型的计算结果，在确定路面渗透率情况下，级配碎石材料的渗透性能是影响排水基层水位高度的主要因素。首先，通过实验研究确定饱和渗透系数。基于一维稳态boussinesq方程模型(下述式2为boussinesq方程的简化版)，考虑毛细水作用的影响，重新得到排水层水位高度的解析解。

如图1所示，排水基层划分为饱和区和非饱和区，基层底层假设为不透水层，当水位高度形成稳定的渗流面，也就是说水渗透到排水基层达到稳定渗流面时，通过x断面处的流量可以用下式表示：

qs(x)+qus(x)＝ix(1)

式中，x为横坐标[l]，代表排水基层横向宽度方向的坐标值，单位为m，qs(x)[l²t^-1]和qus(x)[l²t^-1]分别表示在x断面处的饱和区和非饱和区的水流量，i表示渗透率[lt^-1]，其中t代表时间，其单位为s；

饱和区的流量可以表示为：

其中f＝(d-x)tanα，表示为不排水边界与基准面的高度[l]；h为排水基层中相对基准面的高度[l]；ks表示饱和渗透系数[lt^-1]；d是排水基层的横向宽度[l]；α表示基层的倾斜坡度；

基于gardner土水特征曲线，宏观毛细水上升高度可以定义为：

式中αg表示为该多孔介质组成颗粒分布参数[l^-1]，取值为7.05；当毛细上升高度与h之和大于f和基层排水的厚度之和时，非饱和区的流量可以表示为：

其中ψ表示基质吸力(负值)，与垂向坐标z之和等于总水头h；因此，在这种情况下，计算水位高度的控制方程为：

得到的水位高度h表达式如下：

其中，

再基于非饱和排水模型给出的解析解求得水位高度h，因此基层厚度的计算表达式如下：

t＝h-dtanα(10)

得到的最大值作为基层厚度设计满足排水性能的参考值。

研究结果表明，采用同一种级配，随着孔隙率的减小，渗透系数减小，得到的最高水位值变大。然而，如果基层厚度偏厚，在荷载反复作用下造成面层层底拉应力增大，从而路面发生累积变形进而产生车辙，因此需要控制基层最大厚度值。

(2)确定满足强度要求的排水基层最大厚度

基于路面弹性层状体系理论，考虑整个路面结构设计，需验算排水基层厚度是否满足路面弯沉和面层层底拉应力的设计要求。其中弹性模量是表征级配碎石强度的重要指标，同时也是级配碎石材料的设计技术指标，而级配碎石弹性模量与孔隙率有之间联系。在规范中表明为保证基层强度以及整体路面结构稳定性，建议孔隙率控制在15％以下。

因本发明中根据排水基层的强度设计出排水基层的最大厚度的方式与现有技术一致，因此本发明在此对该内容不做赘述。

综述所述，整个平衡设计方法的契合点是对级配的特征参数的控制，前者设计针对于排水材料的排水性能满足排水设计要求，即形成的水位高度最大值作为设计值的参考值；后者是考虑到整个路面各结构层的厚度设计，排水基层材料的强度满足设计要求，即计算的临界厚度值满足路面弯沉和面层层底拉应力设计指标，平衡设计方法的示意图如图2所示。

实施例1

假设某路段修建一条高速公路，设计年限为15年，交通量平均增长率10％，车道系数为0.45，路段位于公路自然区ⅳ7，粉质土，稠度为1.00，路面宽度b＝24.5，行车道四车道2×7.5m，且处于中湿路段，沿途有大量碎石集料供给。经过轴载换算，得到的累计当量轴次(ne)为1×10⁷次/车道。土基动态模量根据规范查得参考值为40mpa。水泥稳定碎石抗压模量取值为1500mpa，厚度为35cm。假设设计要求中级配碎石的孔隙率为13％，坡度为0.2％，路面渗入率为2.4×10^-4cm/s，采用本发明的方法设计的四个级配类型，进行排水基层厚度设计。路面结构如图3所示。

1、最小厚度的计算

考虑到毛细水作用在排水过程中的影响，采用非饱和排水模型，根据方程(1)在合理确定饱和区域内的渗透系数之后，基于方程(2)～(10)，将各个参数代入按照计算水位高度的方法，得到最高水位高度值，并以此作为排水基层设计中满足排水要求的最小厚度tmin，见表1。

2、最大厚度的确定

(1)弯沉的计算

我国柔性沥青路面设计方法中采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状理论，路面结构层与层的接触状态为完全连续，以弯沉值和结构层的层底拉应力作为设计指标。沥青柔性路面设计采用的标准轴载是双轮组单轴轴载100kn(bzz-100)。设计的弯沉值根据公路等级、设计年限内累计标准当量轴次、面层和基层类型来确定，计算表达式如下：

式中ld表示设计弯沉值(0.01mm)；ne是设计年限内一个车道累计当量轴次(次/车道)；ac是公路等级，高速公路、一级公路取1.0；as表示面层类型系数，沥青混凝土面层取1.0；ab是路面结构类型系数，柔性基层沥青路面为1.0，根据上式得到的设计弯沉值为23.88mm。在双圆均布荷载作用下轮隙中心实测路表弯沉值lt等于设计弯沉值ld，并进行修正。理论弯沉系数α1的计算表达式如下：

其中，

式中lt为路面实测弯沉值(mm)；p是标准车型的轮胎接地压(mpa)，取0.7mpa；δ表示当量圆半径，取值为10.65cm，f为弯沉综合修正系数。由上式可得，f为0.529，α1为4.239。

(2)层底拉应力的计算

沥青混凝土层从上往下的构成为细粒式、中粒式和粗粒式密级配混凝土。各层的抗压模量取20℃的模量，细粒式密级配沥青混凝土为1400mpa，劈裂强度为1.4mpa，厚度为4cm；中粒式密级配沥青混凝土为1200mpa，劈裂强度为1.0mp，厚度为6cm；粗粒式密级配混凝土为1000mpa，劈裂强度为0.8mpa，厚度为8cm；根据规范(jtgd50-2006)沥青混凝土层的层底容许拉应力按下式:

其中σr表示路面结构层材料的容许拉应力(mpa)；σs是沥青混凝土的极限劈裂强度(mpa)；ks是抗拉强度结构系数。细粒式密集配沥青混凝土：

中粒式密集配沥青混凝土：

粗粒式密集配沥青混凝土：

(3)弯沉值和层底拉应力的验算

多层路面结构不能直接采用三层弹性体系公式，可以采用电算程序求解。3、计算结果：如表1和表2所示。

表1不同级配碎石材料排水层的最小厚度推荐值

表2不同级配碎石基层确定的排水基层最大厚度

在表1中，代表粒径d50表征碎石级配不同，不同级配给出不同的设计厚度推荐范围。设计要求中孔隙率要比满足力学要求中最大厚度计算中的孔隙率要小，而孔隙率的提高，排水基层模量增大，因此满足力学要求的最大厚度取值要比表2中要小。

级配碎石的模量越低，代表其强度低，例如风化很严重的级配碎石。而质量好、强度高的级配碎石模量高。当级配碎石的模量为300mpa左右时，一般优选用于高等级公路的排水基层；而级配碎石的模量较低时，一般可以适用于普通公路的排水基层。

表1和表2中。比如级配1中，级配碎石模量为305mpa时，满足力学性能的最大厚度小于23cm，而满足排水要求的厚度最小是24cm，显然这个厚度取值无法同时满足强度和渗透性能的要求。因此根据平衡设计方法中控制指标，建议提高孔隙率，满足渗透性能的最小厚度减小，而力学计算中的厚度值增大，得到一个取值范围甚至出现一个厚度设计值，既能满足结合整个路面设计厚度的要求，也能达到排水性能的要求。级配1中，级配碎石模量为250mpa时，排水基层的厚度为24～47cm，但规范中一般会要求级配碎石排水基层的厚度不超过30cm。因此，具体情况可以结合这些因素来共同选取级配碎石排水基层的厚度。

同样的，如果选择级配2，级配碎石模量为336mpa时，可以提高孔隙率。

但是如果选择级配3和级配4，级配碎石模量分别为322mpa和309mpa时，级配碎石排水基层的厚度设计的取值范围则分别在12～19cm和10～22cm区间中。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。