论排水对公路使用性能的影响

论排水对公路使用性能的影响水是影响路基性能最为主要的环境因素，路基的失稳和各种变形绝大多数都是地表水和地下水的冲刷、渗入或浸湿引起的。为了保证路基的稳定性，提高路基的抗变形能力，必须采取相应的排水措施。路基排水的根本目的是消除或减轻地表水和地下水的危害，是路基湿度状况处于干燥或工程允许的范围内。常见的路基地面排水设备，包括边沟、截水沟、排水沟、跌水和急流槽等，必要的时候还有渡槽。倒虹吸及积水池等。这些排水设备，分别设在设备的不同部位，各自的排水功能、布置要求或构造形式，均有差异。路基及边坡土体中的上层滞水，或埋藏很浅的潜水称为地下水，当地下水影响路基路面强度或边坡稳定时，应设置暗沟、渗沟和检查井等地下排水设施。常用的路基地下排水设备有：盲沟、渗沟和渗井等，其特点是排水量不大，主要是以渗流方式汇集水流，并就近排除路基范围以外。对于流量较大的地下水，应设置专用地下管予以排除。路面表面排水的主要任务是迅速把降落在路面和路肩表面的降水排走，以免造成路面积水而影响行车安全。排水失效对路面有着非常大的影响，经常看见，一些道路在雨天经常出现翻浆和坑槽等现象，这些都是由于长期的积水作用造成的。影响路面的行车安全。当排水失效时，路面会囤积大量的积水，在道路表面会形成一层水膜，一有车辆经过，就会产生水雾，从而模糊驾驶员的视线，给驾驶员的安全驾驶带来一些阻碍。如果气温较低，那么水膜就会结冰，冰比较光滑，当车辆驶过时，汽车轮胎与地面之间的摩擦力会变小，所以导致汽车轮胎容易打滑，从而大大地提高了车祸的发生率。当道路上的水结成冰时，驾驶员会降低行车速度，这就会导致城市出现堵车现象严重，给驾驶员和乘客的心理造成一定的不耐烦。影响路面的质量。当路面由于施工不过关的因素留有一些缝隙时，路面的积水会通过缝隙渗透到道路的内部结构。如果道路的沥青混合料长时间受到自由水的浸泡，那么就会使得碎石和沥青之间的粘附性降低。再加上温度的胀缩作用和道路的负载作用，碎石会与沥青逐渐地分离，从而使得沥青混合料变得松散。沥青混合料中的碎石在剥离之后，会由于道路的负载作用，与道路基层出现撞击，从而使得道路基层土质部分变成稀浆，然后通过裂缝渗透出来，这样路面就会出现网裂、翻浆、坑槽等现象，导致行车的舒适度降低。影响路面的稳定性。由于排水失效，导致大量的积水在道路表面集聚，这些水会在道路表面形成流动水，当渗透到一定的深度之后，流动水会沿着道路的两侧进入路基的内部和路面的结构层。如果长时间使路面和路基浸泡在水中，那么就会使得路面在车辆的负载作用下发生沉陷，从而导致路面的支撑作用下降、路面的稳定性下降。排水失效不仅会对路面产生一定的影响，而且还会对路基产生一定的负面影响。如果路基长期地浸泡在水中，那么路基内部的土体就会软化，从而导致翻浆和塌落现象的发生。除了这些影响之外，路基还会出现冻胀、滑坡、湿陷等现象，改变路基土层受力情况和土质湿度，使得路基的土层内部结构受到影响，从而破坏路基的稳定性。加剧道路路基的湿陷现象。路基的内部结构在积水的作用下，会削弱路基内部土壤的粘结强度，使得路基内部的土壤层联结作用变弱，从而使得路基的负载能力降低。在长期的积水作用下，路基土壤中的矿物颗粒会保持一种运动状态，然后将土壤内层结构进行重新排列。在这种情况下，路面的负载情况和路基内部的联结结构会产生一定的变化，土壤的附加压缩会变大，从而出现湿陷现象。因此积水下渗是导致路基湿陷的主要原因，其主要是通过作用于路基土壤，使其发生一系列化学变化和物理变化，而导致路基土层受到破坏的。当路基出现湿陷时，路基的土层之间会形成缝切割，所以道路的路基结构会受到一定的影响，稳定性也会大大地降低。导致路基滑坡在地下水和路面积水的双重作用之下，如果路基处在天然的山坡坡积层上，那么路基的坡积层就会加速活动，从而导致滑坡现象的出现。此外，排水失效还会导致地下水的渗透压力增大，使得路基的稳定性降低。导致路基冻胀在冬季温度比较低时，排水失效会使得没有及时排除的积水进入到道路的内部结构，导致路基的内部出现水分冻结现象，形成一层冰夹层和冰晶体。当气温逐渐回升时，土层里面的冰层会逐渐地融化，使得地基内部土壤变得湿润和软化，然后与地下水共同作用，导致路基出现深层胀浆，从而导致路基的稳定性下降。导致路基变形地下水和路面的渗水会使得路基中土层含水量发生改变，导致路基出现变形。如果路堤的构成为粉土和粘性土，那么积水对路基的作用就会变得更加明显。因此，在路基受到积水作用的侵蚀时，土层的含水量将会饱和，土壤的抗剪强度将会降低，稳定性也会受到一定的影响。可见，排水失效会对道路路面和路基造成不同程度的影响，要延长道路的使用年限，提高道路的质量，就必须加强道路的排水设计。路堤和路堑的湿度状况对边坡稳定性起着重要的作用。路堤和路堑的湿度越大，路堤和路堑中水的含量就越多，那么土体的流动性就越大，导致路堤和路堑边坡不稳定。近几年来，随着国家对高速公路建设投资力度的加大，我国的公路工程建设十分迅速。沥青混凝土路面以其力学强度高、行车平稳舒适、噪音低、施工期短、维修方便等众多优点越来越受到青睐，我国90%以上的路面为沥青混凝土或改性沥青混凝土路面。但大部分高速公路在建成通车后不久，短的几个月，长的不超过两年，就出现了水损害破坏。沥青路面的这种早期水损害，既是我国高速公路沥青路面最严重的病害之一，也是一个世界性的难题。因此研究高速公路沥青路面水损害机理及防治措施显得非常必要，并具有重大的现实意义。按照其形成过程的不同，可以分为自上而卞的表面层水损害和自下而上的水损害，下面分别对这两种水损害类型加以阐述和说明。自上而下表面层水损害。许多初期的路面水损害都是从上往下发生的，它往往局限于在表面层发生松散和坑槽，如果及时维修，路面性能可以很快恢复。在降雨过程中，雨水首先渗入并滞留在表面层沥青混凝土的孔隙中。当下层的沥青混和料密水性好，且沥青层层厚较大，向下渗透比较困难，在大量高速行车的作用下，反复产生的动水压力逐渐使沥青从集料表面剥离，局部沥青混凝土变得松散，碎石被车轮甩出，路面产生坑槽。这种水损害是国际上通称的经典的水损害，它是一个水使沥青膜从集料表面脱落，失去附着力的过程。水损坏的先决条件是水的存在，同时存在外力作用环境。汽车荷载的压应力和高速行驶产生的真空吸力形成剪应力的反复泵吸作用，使沥青膜从剥离发展到松散、掉粒、坑槽。损坏的进程与荷载的大小、频度有关。在初始价段，集料与集料之间发生剪切滑移，伴有沥青膜移动和脱离，当剪应力超过沥青与集料之间的粘附力导致附着力丧失，这个过程很短暂，一条公路在长时间干燥少水的情况下可以稳定的使用，一旦有充足、大量的水从裂缝和大的孔隙中迅速渗入并达到饱和，经行车反复泵吸就很快造成沥青膜剥离的环境，并形成表面型坑槽。自下而上水损害。当表面的水从裂缝和孔隙较大的裂隙中进入路面。当沥青路面存在薄弱环节，例如由于离析造成上下有连通的孔隙，水在这些地方比其它地方更容易进入路面内部，并很快进入到基层表面。由于半刚性基层过分致密，不能迅速将水排除时，水滞留在沥青层和基层的界面上，在汽车荷载的作用下，下面层沥青混和料的粗集料对基层造成损伤，并形成灰浆。如果基层表面存在薄弱，如铺筑沥青层前就有浮灰、修补的薄层等：遇水很快就成为灰浆，灰浆从上下连通的孔隙中被荷载挤出，成为唧浆。通过唧浆部位可见，开始发生唧浆的孔一般都很小，肉眼看只有1-2cm，被挤出的灰浆可能喷射到数米以外，尤其是有重载车高速通过时，这种集中的冲击力很大。在发生唧浆的路段，两侧的护栏几乎都被泥浆所污染。与此同时，沥青层和基层的界面条件恶化，可能很快转变为滑动界面条件，沥青层底部承受很大的拉应力，反复荷载的疲劳作用同时发生，并发生拉应力超过极限而开裂。下面层的公称最大粒径较大，离析也比较严重，并存在一些孔隙较大的部位。水在孔隙中承受很大的高速汽车荷载的抽吸作用，孔隙率较大的下面层将很快出现沥青从集料表面剥离，沥青膜逐渐被水乳化而丧失，集料松散，这种情况逐渐向上发展，最后顶破表面，成为坑槽。这种水损害多发生在雨季、季节性冰冻地区的春融季节，有时一场几天的大雨就导致严重破坏。水损坏之初一般都先有小块的网裂、冒白浆(唧浆)，然后松散成坑槽。发生水损害的地方一般是透水较严重且排水又不畅的部位，如挖开可见下面有积水或浮浆。一般情况下行车道破坏严重，超车道没有破坏，显然与重车、超载车有关。沥青路面水损害预防措施。通过对沥青路面水损害的机理分析，我们知道造成水损害的主要原因是水，但由于水损害产生的数量及速度与沥青混凝土密实度及空隙率大小、沥青与粗集料的粘附力大小或有无使用抗剥落剂、交通量大小及重(超)载车辆的多少也有一定的关系，所以，有效防治水损害发生，应从以下几方面考虑。合理设计，健全道路防、排水系统。降落或汇流到中央分隔带或路肩上的雨水，会下渗进入分隔带或路肩部分的土体中，并会沿路面边缘侧向渗入路面结构内部，甚至会渗透侵入路基内，而影响到行车道路基路面的稳定。另一方面，路表水和渗入路面结构内部的水分，都要通过中央分隔带或路肩向外排泄。因此，设置好分隔带和路肩的防、排水设施，是防治高等级沥青路面雨水侵渗破坏的一个重要方面。设置下封层可有效阻止水分向基层及其以下侵渗。对于高等级半刚性基层沥青路面，尽量考虑设置下封层，改变以往那种靠浇洒透层沥青兼起防水作用的不正确的做法。由于这类路面一般情况下采用半刚性材料稳定碎石基层，基层顶面往往存积粉尘，很难清扫干净而完全露出碎石。透层沥青可以渗入碎石间隙，但在粉尘上无法牢固粘结，施工车辆行驶时会出现起皮和卷带，致使透层不完整，起不到防水作用。下封层可采用拌和法或层铺法施工的单层式沥青表面处治，也可采用乳化沥青稀浆封层等。控制沥青路面空隙率，防止或减少水分进入内部。据有关研究表明，当路面实际空隙率为7%一14%时，水容易渗入沥青混合料内部，并在行车荷载作用下产生较大毛细压力而形成动力水，是发生水损害的最危险孔隙率，而4%5%的空隙率就认为是不透水的，也就是说与水损害无关；大于12%的空隙率，水很容易流走，但必须要设置排水的结构层。据美国战略公路研究计划的调查，沥青路面最合理的残留空隙率为4%。所以必须提高对空隙率重要性的认识，迅速改变因片面追求平整度和担心构造深度而忽视对空隙率控制的现象。提高沥青与集料的粘附性，提高集料之间的粘结力。提高沥青与集料的粘附性和抗剥离性能，是很久以来道路和沥青制造部门共同研究的课题。例如用一部分石灰、水泥代替矿粉，或在沥青中添加少量环烷类高分子有机酸，可以改善沥青与集料的粘附性。尤其是添加钙、铅、锰等各种类型的金属皂，能够有效地提高沥青与集料的粘附性。近年来，随着表面化学科学的发展，各种表面活性材料的开发，使各种抗剥落剂应运而生。添加抗剥落剂能改善和提高沥青混合料抗水损害能力，但抗剥落剂(液体和石灰添加剂)对集料和沥青有选择性。因此，不能轻易得出某种抗剥落剂不好或是劣质产品的结论，应通过周密的试验设计来进行筛选。石灰是一种很有效的抗剥落剂，但使用比较困难。提高施工质量。施工前原材料的选用必须规格、均匀，配合比设计必须严密，而且注意防止集料的污染。在施工过程中必须注意沥青混凝土拌合的均匀性以及摊铺的宽度，防止粗细集料离析。严格控制沥青混合料拌合温度、出场温度和碾压温度，混合料拌合温度过高容易造成沥青老化，沥青与集料的粘附性也会明显降低，严重时会造成面层局部色泽不一致或路面过早老化破坏等现象。据国外有关试验数据表明，沥青混合料的温度低于90℃，实际上已不可能再被进一步压实。再者，尽量通过使用高效配套的碾压设备、增加碾压遍数等提高压实度以减小空隙率，空隙率大的位置滞留水越多破坏现象越严重。总之，路基、路面的强度与稳定性同水的关系十分密切。路基、路面的病害有多种，形成病害的原因也有很多，但水的作用是主要因素，无不都与地面水和地下水的浸湿和冲刷破坏有关。水的作用加剧了路基路面结构的损坏，加快了路面使用性能的变坏，缩短了路面的使用寿命。据新闻网上有关报道：“近几年由于我国连续发生了几次历史上罕见的特大洪水，公路水毁损失十分严重，据不完全统计，仅在199