吳海林

(江蘇泰州大橋有限公司 泰州市 225321)

排水瀝青路面由于其大孔隙特征，雨水在其體內(nèi)可以快速消散，即使發(fā)生一定車(chē)轍時(shí)，雨水也能夠滲入表面空隙并排出，避免了密級(jí)配輕微車(chē)轍也可能發(fā)生水漂的危險(xiǎn)性。因此在排水瀝青路面養(yǎng)護(hù)中，考慮可適當(dāng)提高其對(duì)車(chē)轍深度的容許值。

通過(guò)分析降雨強(qiáng)度、車(chē)轍深度、空隙率等因素對(duì)車(chē)轍水膜狀況的影響，對(duì)比研究排水路面與普通發(fā)生臨界水漂的邊界條件(車(chē)速、車(chē)轍深度)。對(duì)產(chǎn)生車(chē)轍的排水瀝青路面的排水能力和容許水膜進(jìn)行分析，進(jìn)而提出滿足排水瀝青路面行駛安全要求的車(chē)轍容許值，為排水路面車(chē)轍養(yǎng)護(hù)指標(biāo)提供技術(shù)依據(jù)。

1 數(shù)值計(jì)算模型分析

(1)橫向排水計(jì)算模型

雨水降落到路表后，沿著豎向空隙滲透到排水瀝青路面內(nèi)部，并沿著路面橫坡通過(guò)路面內(nèi)部的連通空隙排出路面。當(dāng)路面出現(xiàn)車(chē)轍變形，路表空隙被壓密，空隙率減小，造成路面滲水性能下降。車(chē)轍造成有效滲水厚度減小，可能會(huì)產(chǎn)生滲水的“瓶頸”，阻礙或延緩雨水的橫向滲流。尤其是右側(cè)車(chē)道處于滲水路徑的下游，長(zhǎng)期受到重載、慢速車(chē)輛的荷載作用，最易產(chǎn)生車(chē)轍并形成橫向滲水瓶頸。車(chē)轍對(duì)排水瀝青路面排水性能的影響如圖1所示。

在沒(méi)有明顯表面徑流極限降雨強(qiáng)度計(jì)算如下式(1)。根據(jù)式(1)可計(jì)算在給定降雨強(qiáng)度下，是否產(chǎn)生明顯地表徑流。

(1)

式中：W—極限降雨強(qiáng)度，mm/s；

K—排水瀝青面層的橫向滲透系數(shù)，cm/s；

i—綜合坡度，%；

l—排水路徑長(zhǎng)度，m；

h—排水層的厚度，m。

(2)容許水膜計(jì)算分析

對(duì)于不同空隙率和車(chē)轍深度的排水瀝青路面，當(dāng)降雨強(qiáng)度超過(guò)某一極限值時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生路表徑流，即在車(chē)轍槽內(nèi)發(fā)生積水。路面積水時(shí)會(huì)降低輪胎與路面之間摩擦系數(shù)。由圖2可知，水膜的出現(xiàn)造成輪胎與路面脫離接觸，出現(xiàn)完全滑水現(xiàn)象。要保證車(chē)輛在一定的速度下不發(fā)生滑水，輪胎與路面之間的界面上的水必需在很短的時(shí)間內(nèi)排出，而這個(gè)時(shí)間要小于汽車(chē)移動(dòng)一個(gè)輪胎距離所需要的時(shí)間。與密級(jí)配相比，排水瀝青路面的特殊之處即在于，在動(dòng)水壓力作用下，路面積水將沿著輪胎向下的方向運(yùn)動(dòng)。然后在瀝青混合料中向四周滲流。還有一部分垂直向上的滲流滲出路面。

對(duì)于普通密集配路面，當(dāng)水膜厚小于3mm，滑水現(xiàn)象難以發(fā)生。當(dāng)水膜較厚時(shí)，水膜作用垂直方向受力可將輪胎托起，產(chǎn)生滑水現(xiàn)象。密級(jí)配瀝青路面的臨界水膜厚度由下式(2)計(jì)算。

(2)

式中：r—車(chē)輪半徑(m)；

G—車(chē)重(N)；

ρ—水的密度，(1000kg/m3)；

w—輪胎寬度(m)；

v—車(chē)速(m/s)。

水膜一部分由輪胎壓入排水層的空隙，另一部分被輪胎橫向擠出，排水瀝青路面的容許水膜由式(3)組成：

h臨=h1+h2+MTD

(3)

式中：h1—由輪胎壓入排水層的空隙的臨界水膜厚度，mm；

h2—被輪胎橫向擠出的臨界水膜厚度，mm；

MTD—排水瀝青路面平均構(gòu)造深度，mm。

h1和h2的關(guān)系可通過(guò)下式表示：

h2=kh1

(4)

表面徑流(或總流量厚度)的厚度為平均紋理深度再加上路表粗糙頂面以上的水膜厚度，平均紋理深度以下的水被限制于宏觀紋理中，無(wú)法構(gòu)成流動(dòng)。排水瀝青路面構(gòu)造深度計(jì)入表面水膜計(jì)算。根據(jù)江蘇排水瀝青路面類(lèi)似工程，平均構(gòu)造深度MTD為2.5mm。

水膜作用合力的垂直分量等于車(chē)輛負(fù)載時(shí)，即出現(xiàn)滑水臨界狀態(tài)，在這種狀態(tài)時(shí)，分別對(duì)兩種水膜產(chǎn)生的豎向力進(jìn)行計(jì)算，可得：

(5)

(6)

G=Fy1+Fy2

(7)

2 降雨強(qiáng)度計(jì)算分析

針對(duì)雙向四車(chē)道、六車(chē)道兩種情況計(jì)算車(chē)轍位置承受的極限降雨強(qiáng)度，設(shè)車(chē)轍最深處位于排水路徑長(zhǎng)度7.5m、11.25m和15m的位置。降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。極限降雨強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn) 單位：mm/(24h)

表2 車(chē)轍位置承受的極限降雨強(qiáng)度計(jì)算

由表2計(jì)算結(jié)果可知，隨著路面車(chē)轍深度增長(zhǎng)，排水瀝青路面車(chē)轍位置能夠承受的極限降雨強(qiáng)度逐漸降低。車(chē)道數(shù)的增多，也會(huì)降低最外側(cè)車(chē)道右輪跡帶位置的極限暴雨承受能力?？障堵实奶岣?，會(huì)增加車(chē)轍位置承受的極限降雨強(qiáng)度。對(duì)于設(shè)計(jì)空隙率為25%的雙向四車(chē)道排水瀝青路面，即使產(chǎn)生了20mm的車(chē)轍，在暴雨的情況下(降雨強(qiáng)度<13.41mm/24h)，仍能夠保證路面無(wú)徑流產(chǎn)生。

3 車(chē)轍容許水膜厚度分析

(1)計(jì)算結(jié)果分析

與重車(chē)相比，小客車(chē)更容易發(fā)生因滑水產(chǎn)生的失穩(wěn)狀態(tài)，因此以桑塔納2000型小客車(chē)為例進(jìn)行計(jì)算。輪胎半徑0.295m，G=365×9.8N，輪胎寬度w=0.195m。

在這種情況下，繪制不同連通空隙率的排水瀝青路面臨界水膜厚度與密級(jí)配路面如圖4所示。排水瀝青路面的臨界水膜遠(yuǎn)大于密級(jí)配路面。對(duì)于連通空隙率為10%(空隙率為18%)的路面，行車(chē)速度在120km/h時(shí)，臨界水膜厚度約為18mm。但這是相對(duì)理想的狀態(tài)，車(chē)輛在路面行駛時(shí)，無(wú)法保證全部水膜都能夠壓入孔隙，因此，一部分水膜被輪胎橫向擠出情況更能夠代表排水瀝青路面實(shí)際的排水狀態(tài)。

利用式(4)～式(7)，可對(duì)不同速度下臨界水膜厚度進(jìn)行模擬，分別取k=0.5、1、2三種情況進(jìn)行模擬。臨界水膜計(jì)算結(jié)果如圖5～圖7所示。

根據(jù)圖5～圖7可知，路表容許水膜厚度隨速度的增加而降低，當(dāng)速度達(dá)到一定值后，水膜厚度的變化率逐漸減低，趨于穩(wěn)定。對(duì)密級(jí)配路面，行駛速度大于100km/h，容許水膜厚度基本穩(wěn)定。對(duì)于k=1的情況，即輪胎壓入排水層的空隙的水膜和被輪胎橫向擠出的水膜厚度相等時(shí)，行駛速度大于120km/h，容許水膜厚度趨于穩(wěn)定。

由于排水路面較大連通空隙和較深的構(gòu)造深度，在不同速度下，均具有高于密級(jí)配路面的容許水膜厚度。對(duì)于我國(guó)高速公路行車(chē)速度120km/h，對(duì)于分析的三種情況，排水瀝青路面容許水膜厚度比密級(jí)配路面厚約5.25～8.06mm，因此排水瀝青路面具有更好的雨天安全性能。

當(dāng)車(chē)輛行駛速度較低時(shí)，連通空隙率對(duì)容許水膜的厚度起主要影響，即連通空隙率越大，相應(yīng)的容許水膜越厚。當(dāng)速度大于100km/h時(shí)，連通空隙率的影響減小，路面水膜主要靠橫向擠壓排開(kāi)，且構(gòu)造深度所影響的比重逐漸提高。因此，車(chē)轍所造成的空隙壓密對(duì)排水瀝青路面的容許水膜厚度也幾乎可以忽略。

(2)車(chē)轍標(biāo)準(zhǔn)值分析

排水瀝青路面產(chǎn)生車(chē)轍，雨天路表形成徑流后，排水瀝青路面發(fā)生滑水的容許水膜厚度明顯高于密級(jí)配路面，當(dāng)速度較低時(shí)，連通空隙對(duì)水膜厚度的影響較大，行車(chē)更為安全。當(dāng)車(chē)道達(dá)到100km/h時(shí)，主要靠橫向推擠和構(gòu)造深度提高了容許水膜厚度。取極不利情況行駛速度為120km/h，排水瀝青路面容許水膜厚度高于密級(jí)配路面5.25～8.06mm，取下限進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)高速公路取1.25安全系數(shù)，建議排水瀝青路面車(chē)轍容許值可高于密級(jí)配路面4mm。

排水瀝青車(chē)轍變形達(dá)到一定程度后，排水層的變形相對(duì)穩(wěn)定變形主要發(fā)生在中、下面層。為防止中下面層變形加劇引起整體結(jié)構(gòu)層的破壞，對(duì)于排水瀝青路面車(chē)轍病害處治的判斷，除應(yīng)參考車(chē)轍容許值外，仍需根據(jù)整體結(jié)構(gòu)層的車(chē)轍貢獻(xiàn)量以及車(chē)轍病害發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行綜合判斷，從而有效地把握車(chē)轍病害處理時(shí)機(jī)。

4 結(jié)論

通過(guò)分析降雨強(qiáng)度、車(chē)轍深度、空隙率等因素對(duì)水膜厚度的影響，對(duì)產(chǎn)生車(chē)轍的排水瀝青路面的排水能力和容許水膜進(jìn)行分析，得到結(jié)論如下：

(1)空隙率的提高，會(huì)增加車(chē)轍位置承受的極限降雨強(qiáng)度，對(duì)于設(shè)計(jì)空隙率為25%的雙向四車(chē)道排水瀝青路面，即使產(chǎn)生了20mm的車(chē)轍，在暴雨的情況下(降雨強(qiáng)度<13.41 mm/24h),仍能夠保證路面無(wú)徑流產(chǎn)生。

(2)路表容許水膜厚度隨速度的增加而降低。排水路面在不同速度下，均具有高于密級(jí)配路面的容許水膜厚度。對(duì)于行車(chē)速度120km/h，排水瀝青路面容許水膜厚度比密級(jí)配路面厚約5.25～8.06mm。

(3)基于理論計(jì)算的同時(shí)，考慮了各種極端不利條件以及安全系數(shù)，建議排水路面車(chē)轍容許值高于密級(jí)配路面4mm。