阳阳高速公路排水系统优化和垫层设计及施工技术咨询报告.doc
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4、家额 阳江至云浮高速公路阳江阳春段阳江至云浮高速公路阳江阳春段 路面内部排水系统优化和垫层路面内部排水系统优化和垫层 设计及施工技术咨询报告设计及施工技术咨询报告 广东华路交通科技有限公司广东华路交通科技有限公司 阳阳高速公路路面施工咨询组阳阳高速公路路面施工咨询组 二一年三月 目目 录录 1 概述.1 1.1 科学设计排水系统的重要性.1 1.2 设置垫层的作用.1 2 路面内部排水系统.2 2.1 水泥混凝土路面结构内部的渗水规律.2 2.2 路面内部排水系统的设计不足及完善措施.2 2.2.1 边缘排水管尺寸过小间距过密 2 2.2.2 垫层设计不合理 3 2.2.3 未压实基层和底基层
5、做渗沟的隐患 4 2.2.4 挖方排水设计的优化 4 3 垫层的设计和试验方法.5 3.1 垫层的设计原则.5 3.2 垫层的室内试验.5 3.2.1 重型击实试验 5 3.2.2 固体体积率 5 3.2.3 CBR 贯入试验6 3.2.4 低压渗透试验 6 3.2.5 配合比的选择7 3.2.6 垫层原材料检测及配合比试验7 3.2 垫层的施工现场质量控制指标.10 3.2.1 检测垫层的级配均匀性.10 3.2.2 检测固体体积率.10 3.2.3 检测弯沉值.10 3.2.4 检测平整度.10 3.2.5 检测渗透系数.11 4 垫层调节路基差异沉降的理论分析12 5 垫层的施工工艺13
6、 5.1 测量放样.13 5.2 计算材料用量.13 5.3 运输和摊铺集料.13 5.4 拌和及整形.13 5.5 碾压.14 1 概述 1.1 科学设计排水系统的重要性 阳江至云浮高速公路阳江阳春段(下简称阳阳高速公路)位于广东省西部,是广 东省规划的高速公路网中的第 8 条纵线。起点位于阳江市连接广湛高速公路、阳江市海 陵岛试验区、阳江港,并于广东省西部沿海高速公路及其联络线共同构成阳江市环城快 速路网;终点位于阳春市,未来将延伸至云浮市,并连接广(州)梧(广西自治区梧州 市)高速公路。 沿线自然地理条件: (1)地形地貌:项目位于广东省西南部沿海丘陵区、漠阳江中下游平原地带及大 云雾山
7、东段山区。总体构造剥蚀山地地貌单元和江、河、海堆积地貌单元。 (2)气候:属亚热带湿润气候区。由于本区地形复杂,山间盆地、河谷盆地和海 泛平原交错相间,高差悬殊,因而存在着十分显著的山区小气候。南部沿海一带,气 候温和,年平均温度为 2223。年平均降雨量年平均降雨量 1933mm1933mm,蒸发量,蒸发量 1745.7mm1745.7mm。北部山区 气候温和,雨水充沛,年平均温度为 21。受地形条件影响,河谷盆地区,年平均降年平均降 雨量雨量 1024.5mm1024.5mm,中高山区可达,中高山区可达 2808.5mm2808.5mm。 (3)不良地质及特殊性岩土:由于项目所在区域构造活
8、动强烈,基岩表层松散堆 积物发育,气候湿润,雨量充沛,可导致岩土体的不稳定。公路走廊带不良地质现象 主要表现为人工边坡失稳、软土、可液化土、崩塌、滑坡、岩溶等。 水损害是导致水泥混凝土路面发生早期破坏的主要原因之一。由于接逢处理不当、 路面结构设计不合理和排水系统的不足,导致渗入路面的水需要很长时间才能排出。 进入水泥混凝土路面结构层内部的水分,若不能尽快向下或向两侧排除出去,就会冲 刷基层,使其强度下降,变形增加,从而使路面结构的承载力降低,缩短使用寿命。 我国的公路排水设计规范( JTJ 01897)指出: 对于年降雨量为 600mm 以上 的湿润和多雨地区, 对于路基由透水性差的细粒土组
9、成的高速公路、一级或重要的二 级公路宜设置路面内部排水系统。阳阳高速公路南部沿海一带,年平均降雨量 1933mm,优化设计路面内部排水系统对于提高阳阳高速公路的使用寿命具有重要意义。 1.2 设置垫层的作用 长期以来,我国对水泥混凝土路面下垫层的研究很不充分。首先,对水泥混凝土 路面是否需要设置垫层并未形成一致的认识。其次,设置垫层的作用是什么?工程实 践表明,垫层的主要作用是提高路基的承载能力、提供对路基差异沉降的缓冲能力、 在潮湿路段提供足够的渗透排水能力和隔离重车行驶造成对路基的疲劳振动沉降。由 于阳阳高速公路建设期紧张,加上阳阳公路项目所在区域气候湿润,雨量充沛,很可 能导致路基产生不
10、均匀沉降和过于潮湿。减少路基差异沉降和排除路基地下水是咨询减少路基差异沉降和排除路基地下水是咨询 组关于垫层设计和施工技术咨询的核心任务。组关于垫层设计和施工技术咨询的核心任务。 2 路面内部排水系统 2.1 水泥混凝土路面结构内部的渗水规律 当水泥混凝土板块(面板)下为密实型混合料的基层时,水泥混凝土路面施工结 束后,主要是混凝土板块间的接缝渗水,板间接缝一般用沥青封缝,但在雨雪天,气 温下降,沥青收缩就会产生缝隙,缝隙会渗水。水泥混凝土面板的孔隙也会渗水,但 渗水性不强,密实型混合料组成的基层的渗水系数一般较小,渗水就会在混凝土面板 下的空隙中形成积水。随着公路运行时间的增长,水泥混凝土板
11、的裂缝增加,水泥面 板的渗水性增强,面板下的积水就越严重。 密实型混合料组成的基层之下的碎石垫层渗水性很强,而路床大都采用细粒土找 平,路床的渗透性也就较差,从中央分隔带、路基、路肩等下渗的雨水和路基渗出的 地下水会在碎石垫层中产生积水。即水泥路面可能产生积水的层位为路床之上碎石垫层碎石垫层 和密实型混合料组成的基层之上、面板之下的空隙密实型混合料组成的基层之上、面板之下的空隙。当行车通过时,板下的空隙积水 产生超孔隙水压,导致翻浆、冒泥,甚至产生断板。 2.2 路面内部排水系统的设计不足及完善措施 2.2.1 边缘排水管尺寸过小间距过密 路面内部排水系统的泄水能力要大于渗入路面结构的进水量。
12、设计文件中集水沟 的排水管为直径为 50mm 的软塑透水管,间距为 5m。排水管的排水量可用迈宁公式计 算: (1) 2 1 3 8 3 n 102693 . 0 SDQd 式中:Q 为排水量;n 为粗糙系数,软塑透水管取为 0.012;S 为排水管坡度 (m/m) ;D 为排水管的直径(mm),取为 50mm。 根据公式(1) ,排水管坡度为 2%时,排水管的排水量为 108。根据公路dm / 3 排水设计规范 (JTJ018-97)中图 3.07-1 的全国 5 年一遇的 10min 降雨强度,可查到 阳江地区的降雨强度为 3.0mm/min,即 4.32m/d。根据美国美国 AASHTO
13、 路面结构设 计指南建议设计渗水率可用重现期 1 年,历时 1 小时的降雨强度乘以一系数,该系数 对沥青路面为 0.330.50,对水泥混凝土路面为 0.500.67,本项目对水泥路面该系数本项目对水泥路面该系数 取为取为 0.6。可用公式(2)计算渗入路面结构的进水量。 (2)dmBLqQ ii /1686 . 0 3 式中:qi为重现期 1 年,历时 1 小时的降雨强度,取为 4.32m/d;B 为路面宽度 的一半,取为 13m;L 为出水管间距,取为 5m。 由以上分析可知,排水管的排水量小于渗入路面的进水量。对于纵坡小于 2%的路 段,排水管的排水量更小。也就是说,当遇到暴雨时,集水沟
14、不能有效排出渗入到路 面的进水量。在面板下积存了大量渗入水,在重车荷载作用下对基层产生很大的冲刷, 导致唧泥病害产生。设计文件排水管的间距过密,也增加了出水管的数目和施工时间设计文件排水管的间距过密,也增加了出水管的数目和施工时间。 为了增大排水系统的泄水能力,咨询组建议集水沟排水管的直径为 100mm,出水管直 径为 100mm,间距为 20m。此时,集水沟的泄水能力由公式(1)得到为 967,dm / 3 渗入路面结构内部的进水量为 674,集水沟的泄水能力大于渗入路面的进水量。dm / 3 设计文件集水渗沟和排水管的尺寸设计较小,主要原因是将集水渗沟设置在土路 肩下,同时要避开波形护栏对
15、集水沟的影响。为此,考虑施工方便性,建议设计单位 将集水渗沟布置在路缘石下,这样既可以设置较大尺寸的集水渗沟(宽度可取为 30cm) ,而且方便排出从路缘石缝隙渗入的自由水。由于碎石渗沟容易堵塞,建议集水由于碎石渗沟容易堵塞,建议集水 渗沟采用无砂混凝土,渗沟底部应低于基层的底部。为了同时排出碎石垫层和面板下渗沟采用无砂混凝土,渗沟底部应低于基层的底部。为了同时排出碎石垫层和面板下 空隙中自由水,渗沟底部最好低于垫层底部,然后通过排水管将水排出到路基以外。空隙中自由水,渗沟底部最好低于垫层底部,然后通过排水管将水排出到路基以外。 2.2.2 垫层设计不合理 设计文件中在垫层中设置直径为 50m
16、m 长度为 50cm 的 PVC 管,间距为 5m,管外 侧用透水土工布包裹。由于级配碎石的细料较多,容易淤积在透水土工布上堵塞 PVC 管的排水。结构层施工时也容易压坏 PVC 管。由于垫层本身的渗水能力较大,不需要 额外添加 PVC 管。 2.2.3 未压实基层和底基层做渗沟的隐患 为施工方便,设计文件中挖方在土路肩下用未压实的基层和底基层用作排水的渗 沟,将板下空隙的水和结构层的水引入边沟下的盲沟中。如果基层和底基层材料大部 分为粗集料,细集料较少时,这样的设计是合理的。然而,如果基层和底基层有较多 的细料,而且压实基层和未压实基层间没有设置防滤土工布,基层中的细集料很可能 堵塞渗沟的孔
17、隙,从而导致碎石渗沟的排水性能大幅下降。建议在两侧边沟靠路面侧建议在两侧边沟靠路面侧 的沟帮上部用级配碎石或浇筑无砂混凝土,排出路面结构内部水,这样不但可以方便的沟帮上部用级配碎石或浇筑无砂混凝土,排出路面结构内部水,这样不但可以方便 排水,而且孔隙也不会被细料堵塞。排水,而且孔隙也不会被细料堵塞。 2.2.4 挖方排水设计的优化 对于路堑段路基的防排水,由于路堑段基本为零填方,其防排水主要是减少两侧 坡体和地基地下水对路基、路面内部水的补给。设计文件中采用在边沟下设置碎石渗 沟拦截两侧坡体的地下水,这个排水思路是合理的。实际工程中,应综合考虑坡体地 下水位至不透水层的高度和边坡土体的渗透性,
18、合理确定碎石渗沟的深度。如果坡体 地下水位至透水层的高度大且土体渗透性较大时,应加深碎石渗沟的深度和加大排水 管的直径,确保边坡两侧的地下水被渗沟拦截。 为了减少地基地下水的影响,设计文件采用 50cm 的碎石垫层能够很好的排出路基 下的地下水。现有研究表明,对于挖方段,相对于集水管的侧向进水量,垫层的进水 量相对较小(注:黄仰贤的路面分析与设计 ) 。挖方路段的地基如果较好,不存在 结构补强,从排水角度而言,30cm 的碎石垫层已足够排出垫层的进水量,建议挖方路建议挖方路 段加深渗沟的设计深度或把两侧的边沟加深,做成明渗沟,降低地下水位。采用段加深渗沟的设计深度或把两侧的边沟加深,做成明渗沟
19、,降低地下水位。采用 30cm 的碎石垫层排出渗入到垫层的自由水。这样既可以满足路面排水要求,又可以节省碎的碎石垫层排出渗入到垫层的自由水。这样既可以满足路面排水要求,又可以节省碎 石材料,加快工程进度。对于挖方路段基础较软弱路段,可采用碎石换填形式处理。石材料,加快工程进度。对于挖方路段基础较软弱路段,可采用碎石换填形式处理。 3 垫层的设计和试验方法 3.1 垫层的设计原则 相对于其他结构层,垫层的作用一直没有受到国内研究人员的足够重视。级配碎 石作为一个古典的路面结构层次,可用于路面结构的基层、底基层、垫层等等。然而 公路土工试验规程( JTG E402007) 、公路路面基层施工技术规
20、范(JTJ 0342000) 、公路沥青路面设计规范(JTG D502006) 这三本规范提及级配碎石 结构的部分均未规定具体的配合比设计方法。公路路面基层施工技术规范( JTJ 0342000)仅对级配碎石原材料、级配范围提出了要求,通过试验得到干密度和含水量 的关系曲线,从而确定最佳含水量和最大干密度。在实际施工中,大部分的施工单位均 按路基填土的方法,将碎石配在规范要求的级配范围内,然后做不同含水量下的重型击 实试验,求出最大干密度和最佳含水量,之后按最大干密度和最佳含水量进行施工。由 于规范的级配碎石范围较宽,许多集料碎石都能达到规范的要求,从而对级配碎石结构 层的级配、强度都很难保证
21、。 目前,工程界对垫层的设计原则比较混乱,缺乏明确的设计目标。咨询组认为水咨询组认为水 泥混凝土路面垫层的主要作用是排出地下水和调节路基的差异沉降,因此垫层的设计泥混凝土路面垫层的主要作用是排出地下水和调节路基的差异沉降,因此垫层的设计 原则是提高垫层的渗透性和抵抗变形的能力。原则是提高垫层的渗透性和抵抗变形的能力。为了实现这个设计目标,咨询组将通过 室内试验和现场试验提出测试垫层渗透性和抵抗变形的试验方法。 3.2 垫层的室内试验 3.2.1 重型击实试验 对选取的三条级配曲线分别进行重型(大筒)击实试验,确定相应的最佳含水量和 最大干密度。 1、配料:对各档集料按照设计比例进行掺配,加入预
22、设含水率的水量后拌和均匀, 进行焖料,焖料的时间不得少于4小时。 2、将焖好的料进行重型击实试验。 3) 根据试验结果,绘制含水率干密度关系图, 确定最佳含水量和最大干密度。 3.2.2 固体体积率 由三相体理论可知, 集料的体积包含固体、水和气体三部份。固体体积率为固体 体积与所测试洞体积比值的百分率。检测原理是用常规的灌砂法测定现场开挖试洞的 体积, 将挖起的集料烘干后用排水法测定集料的固体体积。由于碾压是将集料间的空 隙进行压缩, 固体颗粒的开口孔隙与闭口孔隙受碾压的影响较小, 因而, 所谓的固体 体积应该包括颗粒本身的开口孔隙和闭口孔隙。 在室内配合比设计时,固体体积率计算体积指标时是
23、采用集料的毛体积密度,固体 体积率为: K=d /m (3) d -最大干密度,单位g/cm3。 m-混合料毛体积密度,单位g/cm3。 混合料合成毛体积密度计算方法详见公路沥青路面施工技术规范(JTG F40- 2004)第73 页式(B. 5. 3) 。 3.2.3 CBR 贯入试验 确定最佳含水量后,选取最佳含水量为各种级配类型的含水量,进行焖料。粗、推 荐、细每种级配各成型3 个筒。分别进行CBR 贯入试验,其试验结果要求大于100%。 3.2.4 低压渗透试验 1、实验仪器:2000kN 数显压力机一台、300mm 钢直尺一把、 、无侧限试模 12 个、 15kg(1g)电了天平一台
24、、60kg(5g)电子秤一台、接水器 12 个。 2、试件成型方法: A、将各档集料按照设计比例进行掺配,加入最佳含水率的水量后拌和均匀,进行焖 料,焖料的时间不得少于 4 小时。 B、按设计的压实度计算出每个试件的混合料重,称重备用。 C、将试模的下压柱放入试模的下部,外露 2cm 左右,把称好的混合料分 2 次灌入 试模中,每次灌入后用夯棒均匀插实,然后将上压头放入试模内,使其也外露 2cm 左 右。 D、将整个试模放到压力机上,开动压力机,均匀的将上、下压头压进试模中,稳 荷 1min 后,再御载。 E、将整个试模在标准养护室(温度 202,湿度95%)养护 24 小时后即行透 水系数试
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