CN111074720A - 一种透水抗裂型道路结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透水抗裂型道路结构及其施工方法，自上而下依次为透水磨耗层面层、土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层、土工格室中粗砂下基层、土工格室素土底基层和路床。土工格室的口袋约束效应使得格室土复合弹性模量呈现指数级增长，同时会强力限制路基的侧向变形和裂缝的产生和发展；而三层土工格室结构层叠加产生的厚板效应则保证路基有足够的弯曲刚度以减少路面的不均匀沉降。该道路结构属于

型透水路面，具有对环境友好、模块化设计、施工方便快捷、工程造价低等优点，可以有效杜绝路面裂缝和高温车辙等病害的产生，大幅增加雨天行车安全及行车舒适性。本发明适用于各类城市道路、等级公路、运动场地、广场、飞机跑道等工程。

Description

一种透水抗裂型道路结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种交通工程领域道路工程，尤其涉及一种透水抗裂型道路结构及其施工方法。

背景技术

随着经济建设的飞速发展和城市建设步伐的加快，现代城市的地表逐步被钢筋混凝土的房屋和不透水的路面铺装所覆盖。在城市建设中，绝大多数的城市道路、公园、庭院及公共广场的设计和硬化主要关注其耐久性和强度等技术性能指标和视觉美观方面的要求，因而不透水的密级配混凝土和石板材成为首选的路面铺装结构。虽然这种铺装简单，成本低廉，但给城市的生态环境带来了很大的负面影响。

首先，这种不透水不透气的路面铺装使渗入地下的雨水明显减少，降水大部分通过城市的排水系统排出，使城市的地下水得不到应有的补充。随着城市地下水开采量的增大，许多城市的地下水位下降，已经呈现出漏斗状，严重损害了城市的水平衡，影响了城市地表植物的生长，从而破坏了城市地表的生态平衡并导致地面沉降。

其次，在暴雨时这种地面径流量急剧增高，很快出现峰值，加重了城市排水系统的负担，是引发城市内涝灾害的主要成因之一。同时，这种表面致密的路面在雨天由于不能及时排水，形成路表水膜或路面积水，导致行车容易出现水漂、水雾现象，给行人和车辆的行驶带来不便，增大了交通事故发生率。

再次，传统的非透水性路面片面强调路表的防水防渗性，该路面将自然降雨完全与路面下部土层及地下水阻断，降雨只好通过城市排水系统管网排入江、河、湖、海等地表水源中，这就造成城市地下水源难以得到及时的补充，严重影响雨水的资源化利用；此外，不透水地面降雨时，雨水是先通过地面的排水坡度或地表明沟排入下水道，在进入下水道前要经过较长距离的地表径流才能进入城市地下排水系统，该过程使相对较清洁的雨水溶入了大量的城市地表污染物，径流过程中产生了二次污染，通过城市排水系统进入周围地表自然水体，因而加重了这些自然水体的污染程度。

为创造绿色和谐的人居环境，改善城市道路目前以不透水铺装为主要路面形式的单一局面已刻不容缓。

相对于不透水路面，透水路面具有以下特点：1）减轻城市排水系统压力；2）利用雨水补充地下水；3）提高道路生态环保效益；4）降低车辆行驶噪音；5）缓解城市热岛效应；6）提高雨天行驶安全性7）防止汽车行驶溅水；8）提高路面抗滑性能；9）改善路面反射视觉效果；10）提高车辆燃油效率。

按照罩面铺装材料的不同，透水路面主要有四类：

水泥混凝土透水路面：此类透水路面刚度、强度、稳定性良好，透水性较好；但是强度形成期长，施工工艺复杂，抵抗水破坏能力差。

沥青混凝土透水路面：其透水性、抗滑性、抗车辙性能好，施工养护周期短，开放交通快；但是此类路面材料抗剥落性差且不易彩色化，服役期限较短。

聚氨酯碎石透水路面：以聚氨酯碎石混合料为代表，此类新材料透水路面孔隙率较大，透水性能优良，具备传统建筑材料的路用性能和力学性能，但通常强度较低，造价较高，主要应用于铺装景观道路等轻交通路面。

环氧树脂透水路面：较传统的透、排水路面材料相比，环氧树脂类混合料透水路面具有强度形成速度快、强度更高、孔隙率可控范围大、透水性能优良、服役期限长、易于彩色化且性能稳定等优势，但造价较高。

按照排水方式的不同，透水路面主要有三类：

型透水路面：路表水由面层进入路面后由面层排出并引到临近排水设施。其主要功能是排除路面积水、降低噪音、提高路面安全性能和行车安全性能。

型透水路面：路表水由面层进入路面后由基层（或垫层）排出并引到临近排水设施。该型透水路面除了具备

型透水路面的功能外，还具备路面储水功能，减少地面径流量，减轻暴雨时城市排水系统的负担等功能。

型透水路面：路表水由面层进入路面后直接进入路基。该型透水路面除了具备

型和

型透水路面的功能外，还能够将雨水直接渗入地下，自然补充地下水资源。

上述无论哪一类透水路面，其透水机理是相同的，都是采用较大空隙率（一般为15～20%）的开级配粗集料作为基本原材料，采用不同的粘结剂按照预定的空隙率设计配合比来施工透水面层。显然，

型透水路面对环境是最友好的，但国内尚未见到此类工程先例，原因可能在于透水路基的强度难以满足使用要求。

透水性与抗压强度是一对矛盾。要获得较大的路面透水性，就要采用高空隙率的透水材料，而空隙率越高，其抗压强度、抗折强度就会降低。因此，如何解决这一对矛盾，就成为解决透水路面问题的关键所在。

目前国内城市道路以及各级公路普遍采用的是半刚性基层沥青混凝土不透水路面，其主要病害是路基路面强度不足引发的路面路基开裂问题。对于透水路面，这一问题同样存在，如果解决不好，问题只会更加严重，现有的路面路基设计均是通过加大路面路基厚度来实现，造成道路造价居高不下。

土工格室是一种三维网状结构的高分子聚合物，可通过在格室中充填砂、碎石或粘土等材料，构成一个具有较大抗弯刚度和抗剪强度的复合体。土工格室作为一种新型路基处理方法，广泛应用于公路、铁路等软基加固工程，但由于其受力情况和加固机理的复杂性，格室体的变形计算以及与地基间的荷载传递形式始终没有完善的理论研究，从而影响了格室体在工程中的进一步应用和推广。

发明内容

为了解决现有道路结构存在的上述技术问题，本发明提供一种能够杜绝裂缝产生且透水的透水抗裂型道路结构及其施工方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种透水抗裂型道路结构，其特征是：自上而下依次为透水磨耗层面层、土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层、土工格室中粗砂下基层、土工格室素土底基层和路床。

上述的透水抗裂型道路结构中，所述的透水磨耗层面层的厚度为4.0～5.0cm，透水磨耗层面层与土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层之间设有土工格栅。

上述的透水抗裂型道路结构中，土工格栅为双向拉伸型玻璃纤维土工格栅。

上述的透水抗裂型道路结构中，所述的土工格室采用膜片无孔土工格室，按照道路等级选用100～200mm高度的HDPE纹面或光面片材经焊接而成的三维网状或蜂巢状格室。

上述的透水抗裂型道路结构中，所述的土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层、土工格室中粗砂下基层和土工格室素土底基层的渗透性及刚度自上而下是递减的。

上述的透水抗裂型道路结构中，：所述透水磨耗层面层为透水沥青混凝土、透水水泥混凝土或透水环氧树脂混凝土中的任意一种。

一种透水抗裂型道路结构的施工方法，施工步骤是：

开挖或填土至路床设计标高，素土压实，路床横向排水坡度取1～3%；

铺设10cm高度的土工格室并拉紧固定，在土工格室中摊铺素土压实，要求素土粘粒含量大于30%，压实度大于95%，压实后的压实素土厚度与土工格室素土高度相等；

铺设10cm高度的土工格室并拉紧固定，在土工格室中摊铺中粗砂并洒水振动压密，压实度大于95%，压实后的中粗砂厚度与土工格室中粗砂高度相等；

铺设10cm高度的土工格室并拉紧固定，摊铺10cm厚度的开级配碎石水泥透水混凝土并振动压实；土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层中碎石的最大粒径不大于40mm，粒径4.75mm以下的细料含量不应超过16%,2.36mm以下的细料含量不超过6%；

与现有技术相比，以沥青混凝土透水路面为例，采用本技术方案路面路基的效果是：

①土工格室土基层中的主要材料为天然土或碎石，也可以是建筑垃圾再生土、渣土等，不添加水泥、沥青等其它材料，对于节约资源保护环境有益。

②土工格室开级配碎石水泥透水混凝土、土工格室中粗砂及土工格室压实素土构成完整的路基基层透水结构，是本申请人首次提出的一种新型复合路基结构，也是透水抗开裂道路的核心结构层，起到承上启下的关键作用。相对于透水路面现有技术的水泥碎石稳定土基层或者沥青稳定碎石稳定土基层，它是一种弯曲刚度更大、抗车辙能力更强的弹性半刚性结构层，并有着良好的水稳定性和冻稳定性。该基层结构中的格室三维应力分散作用、巨大的抗弯刚度以及均匀分布的大小空隙的存在，使得路基能够充裕地应对路面荷载甚至是重载的震动冲击，因此，该复合结构体不但可以应用于城市道路，还可以应用于高速公路、飞机跑道工程；不但适应南方气候条件，也能适应北方严寒地区的气候条件。

路面结构采用空隙率不超过20%的开级配沥青混合料磨耗层+玻璃纤维土工格栅，面层厚度仅为4.0～5.0cm，与现有的路面层设计方案相比较，其厚度仅为现有技术路面层的1/4左右，其造价将大大降低。由于面层沥青混合料厚度薄，故即使在夏季高温条件下，也不会因蠕变而产生明显车辙。玻璃纤维土工格栅的使用，有助于增强路面层与基层的应变协调性以及沥青混合料的抗拉、抗剪切、抗车辙能力。

三层格室体组成的复合路基结构其刚度自上而下递减，而荷载引起的附加应力分布也是自上而下递减，二者相互协调与匹配，降低了疲劳荷载可能引起的永久变形。此外，该路基结构抗弯刚度巨大，其整体厚板效应使得车辆疲劳荷载作用引起的路基沉降及不均匀沉降几乎可以忽略不计，且路面无开裂隐患存在，故道路行车舒适性好、抗水损能力强，道路使用寿命长。

与现有透水路面设计相比，本发明可以针对不同等级工程要求实现模块化设计，施工方便。由于不需要通过搅拌来添加水泥、沥青等粘结剂材料，故施工速度快，造价低且施工质量有保证。

附图说明

图1是本发明实施例的沥青混凝土透水路基路面结构剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1，一种透水抗裂型道路结构，自上而下依次为透水磨耗层面层1、土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层3、土工格室中粗砂下基层4、土工格室素土底基层5和路床6。透水磨耗层面层1的厚度一般为4.0～5.0cm。透水磨耗层面层1采用5cm厚度SMA开级配沥青混合料，土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层3的厚度为10cm，土工格室中粗砂下基层4由土工格室中粗砂42及铺于土工格室中粗砂42上方的中粗砂41组成，土工格室中粗砂42的高度与中粗砂41高度相等均为10cm。土工格室素土底基层5由土工格室素土52及铺于土工格室素土52上方的压实素土51组成，土工格室素土52的高度与压实素土51的高度相等均为10cm。透水磨耗层面层1与土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层3之间设有格距5cm的双向拉伸型玻璃纤维土工格栅2。

土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层3采用膜片无孔土工格室。

土工格室中粗砂下基层4采用膜片开孔土工格室。

土工格室素土底基层5采用膜片开孔土工格室。

土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层3、土工格室中粗砂下基层4和土工格室素土底基层5中的土工格室按照道路等级选用100～200mm高度的HDPE纹面或光面片材经焊接而成的三维网状或蜂巢状格室。

土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层3、土工格室中粗砂下基层4和土工格室素土底基层5的渗透性及刚度自上而下是递减的。

透水磨耗层面层1为透水沥青混凝土、透水水泥混凝土或透水环氧树脂混凝土中的任意一种。

以最为常用的透水沥青混凝土为例，透水磨耗层面层1是依据工程等级要求选择采用开级配沥青玛蹄脂碎石混合料（一级公路、高速公路、城市主干线道路和机场道路）、开级配沥青混合料（一、二级公路和城市支线、次干线道路）或厂伴热再生开级配沥青混合料（三、四级公路）。

研究表明，路面行车引起的最大剪应力出现在路面以下4cm处，且最大不超过0.2MPa，故在上基层表面设置土工格栅水平层以增强透水沥青混凝土的抗拉抗剪强度。

土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层3、土工格室中粗砂下基层4和土工格室素土底基层5的土工格室，是增强路面路基强度的核心构件，依据排水需要以1-3%的坡度布设，土工格室高度依据工程等级要求选择采用：2×200mm（机场跑道、码头堆场）、200mm（一级公路和高速公路、城市主干线道路）、150mm（二级公路、城市支线、次干线道路）、100mm（三、四级公路和运动场地等）。

土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层3、土工格室中粗砂下基层4和土工格室素土底基层5的土工格室焊距选择200～300mm。

土工格室素土底基层5中的土为就近获得的天然土，天然土的类别包括黏土、粉质黏土、砂质黏土等，或透水性较弱的混合土，其粘粒含量在30%以上。为提高压实效果，其压实素土的含水量宜为最优含水量。

以常用的沥青混凝土透水路面图1为例，采用本技术方案的施工步骤是：

①开挖或填土至路床设计标高，素土压实，路床6横向排水坡度一般取1～3%。

②铺设10cm高度的土工格室并拉紧固定，在土工格室中摊铺20cm厚度素土压实，要求素土粘粒含量大于30%，压实度大于95%，压实后的压实素土51厚度与土工格室素土52高度相等。

③铺设10cm高度的土工格室并拉紧固定，在土工格室中摊铺中粗砂并洒水振动压密，压实度大于95%，压实后的中粗砂41厚度与土工格室中粗砂42高度相等。

④铺设10cm高度的土工格室并拉紧固定，摊铺10cm厚度的开级配碎石水泥透水混凝土并振动压实。土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层3中碎石的最大粒径不大于40mm，粒径4.75mm以下的细料含量不应超过16%, 2.36mm以下的细料含量不应超过6%。

在土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层3表面洒布一层改性乳化沥青作为粘层，并在其上用U型钉固定双向拉伸型玻璃纤维土工格栅2，摊铺SMA开级配透水沥青混合料为透水磨耗层面层1并碾压至压实。在土工格室开级配碎石透水水泥混凝土基层表面洒布一层改性乳化沥青作为粘层，并在其上固定土工格栅，摊铺透水磨耗层面层并碾压至压实。

本发明中，土工格室中粗砂下基层，采用膜片无孔土工格室以保持水分以及防止中粗砂从格室边缘析出。该层有储水及稳定基层以下土层含水量的作用，在高温季节所储存的水对路基路面有降温作用，而在冬季由于埋藏较深且被空隙率较高的上基层所隔离，也不至于发生冻胀。

所述土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层采用膜片开孔土工格室，是基于排水需要以便基层中的水能顺利排出到如排水沟、排水管或排水井等临近排水设施，同时能确保路基路面在车辆荷载压力下不会产生过高的孔隙水压力而损坏路面。

所述土工格室能够大幅增强路面路基强度的机理在于格室土的口袋约束效应及多层格室土的厚板效应，详解如下：每个格室土单元如同装满土的口袋，当其承受压力后，土体受到的压力会反作用到格室转化为格室材料的拉应力，与土体模量相比，格室土模量会有指数级增长。试验研究表明，10cm高的土工格室级配碎石能够获得高达50～100MPa的复合弹性模量，3.5cm高的土工格室级配碎石能够获得35～55MPa的复合弹性模量，而10cm高的土工格室粉土也能够获得高达40～80MPa的复合弹性模量，说明土层性质对土工格室土的强度影响有限，格室土的复合弹性模量随格室高度的增加而增加。对于土工格室土，格室与格室间因为变形协调与相互制约，而产生薄板效应。而随着土工格室高度的增加，土工格室土的抗弯刚度将会出现指数级增长（抗弯刚度与格室土高度的三次方成正比）而呈现厚板效应。本发明正是利用了这一基本原理，通过采用多层格室土基层进行叠加，使路面路基的抗弯刚度和复合变形模量得到超强增长，确保基层在保持大空隙率高渗透性的同时，还能获得超高的路基路面强度，从而圆满地解决路面路基空隙率与强度之间的一对矛盾，为透水路面路基的模块化设计找到一种全新的解决方案。

Claims (7)

1.一种透水抗裂型道路结构，其特征是：自上而下依次为透水磨耗层面层、土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层、土工格室中粗砂下基层、土工格室素土底基层和路床。

2.根据权利要求1所述的透水抗裂型道路结构，其特征是：所述的透水磨耗层面层的厚度为4.0～5.0cm，透水磨耗层面层与土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层之间设有土工格栅。

3.根据权利要求2所述的透水抗裂型道路结构，其特征是：土工格栅为双向拉伸型玻璃纤维土工格栅。

4.根据权利要求1所述的透水抗裂型道路结构，其特征是：所述的土工格室采用膜片无孔土工格室，按照道路等级选用100～200mm高度的HDPE纹面或光面片材经焊接而成的三维网状或蜂巢状格室。

5.根据权利要求1所述的透水抗裂型道路结构，其特征是：所述的土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层、土工格室中粗砂下基层和土工格室素土底基层的渗透性及刚度自上而下是递减的。

6.根据权利要求1所述的透水抗裂型道路结构，其特征是：所述透水磨耗层面层为透水沥青混凝土、透水水泥混凝土或透水环氧树脂混凝土中的任意一种。

7.如权利要求1所述的透水抗裂型道路结构的施工方法，其特征是：施工步骤是：

①开挖或填土至路床设计标高，素土压实，路床横向排水坡度取1～3%；

②铺设10cm高度的土工格室并拉紧固定，在土工格室中摊铺素土压实，要求素土粘粒含量大于30%，压实度大于95%，压实后的压实素土厚度与土工格室素土高度相等；

③铺设10cm高度的土工格室并拉紧固定，在土工格室中摊铺中粗砂并洒水振动压密，压实度大于95%，压实后的中粗砂厚度与土工格室中粗砂高度相等；

④铺设10cm高度的土工格室并拉紧固定，摊铺10cm厚度的开级配碎石水泥透水混凝土并振动压实；土工格室开级配碎石透水水泥混凝土上基层中碎石的最大粒径不大于40mm，粒径4.75mm以下的细料含量不应超过16%，2.36mm以下的细料含量不超过6%；

在土工格室开级配碎石透水水泥混凝土基层表面洒布一层改性乳化沥青作为粘层，并在其上固定土工格栅，摊铺透水磨耗层面层并碾压至压实。

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