高速公路路基碎石排水层级配研究及数值模拟__墨水学术,论文发表,

所属栏目：建筑设计论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:209

副标题#e#
　　高速公路路基碎石排水层级配研究及数值模拟
　　欧毅
　　（湖南省高速公路管理局，湖南长沙，410016）
　　摘要：基于对路基排水层进行分析，探讨了路基碎石排水层级配实验结果，得出三种级配阻隔毛细水性能结果，并借助实例对碎石排水层的数值进行模拟。
　　关键词：高速公路路基；碎石排水层；级配研究；数值模拟
　　1路基排水层
　　路基排水层是设置在路基之中的结构层，它的主要作用是阻隔地下水由于毛细上升进入路基土壤，导致路基含水量增大，影响路基结构强度和整体稳定性。它的作用类似于路面结构中的垫层，但是与路面垫层相比有两个重要的区别。首先在位置和具体作用上两者完全不同，垫层位于基层之下，是路面结构层的一个组成部分，路基排水层则位于人工填筑的路堤下部，天然地基之上，主要是保证地下高水位或者路基两侧的河流、池塘和灌溉用水不会经由地下迁移进入路基，确保其上的路基土的含水量不会过大、影响强度和稳定性。其二是两者的受力状况完全不同。基层是路面结构中的主要承重层，而位于其下的垫层除了主要承受车辆荷载的垂直应力并将其分散，还要承受车轮的动态震动应力，所以其既受静载还受动载，既受垂直应力还有一定的振动应力，受力状况复杂。而位于路堤底部的排水层，由于距路基顶面较深，远远位于路基工作区之外，所以可以认为其主要承受路基上部结构的垂直重力。就路基排水层所选用的材料来说，与垫层有一定的相似性。规范规定，垫层的材料可选用粗砂、砂砾、碎石、煤渣、矿渣等粒料以及水泥或石灰煤渣稳定类、石灰粉煤灰稳定类等;而路基排水层主要可以采用碎石、砂砾等无结合性粒料。
　　2路基碎石排水层级配试验研究
　　2.1工程简介
　　本文以京珠国道主干线郑州至漯河段高速公路为工程背景进行应用研究。本项目自1998年建成通车以来，以其高速、平稳、顺畅的优质服务承载着繁重的运输任务。郑深高速2003年交通量达小客车13827辆/日。
　　京珠高速公路郑州至许昌段原建设时期分为机场至新郑、新郑至许昌两个项目，都为震动碾压混凝土结构上加铺沥青混凝土层的复合式路面结构。机场至新郑段路面结构总厚度为58cm。在2000,2001年进行路面大修时在原路面结构上加铺9cm中粒式沥青混凝土以提高道路承载能力、改善表面功能。
　　表1项目基本情况
　　机场至新郑 结构名称 厚度
　　面层 粗粒式沥青混凝土 5cm
　　 振动碾压水泥混凝土 23cm
　　基层 水泥稳定碎石基层 15cm
　　 二灰稳定土底基层 15cm
　　2.2碎石排水层级配研究
　　实验采用碎石排水层以31.Smm作为最大粒径，采用4.75mm作为粗、细集料的分界点。试验采用基于体积的填充系数法设计粗集料，使粗骨料形成稳定的骨架结构，而通过毛细水试验确定2.36mm及以下的细集料的级配。最终寻找出既能隔断毛细水又拥有尽可能大的密度的级配曲线。集料最大粒径31.Smm，公称最大粒径26.Smm,4.75mm为粗、细集料的分界点。
　　对粗骨料作如下填充试验:
　　（1）测定4.75mm及其以上各档粒径石料的毛体积密度。
　　（2）保证每次试验的总质量相同、分别以不同的比例取26.5mm和19mm的石料进行试验，并记26.5mm的质量为M,.19mm的质量为Mz;
　　（3）将称好的两档集料M,与Mz混合均匀分三层装入干捣筒内，每层以相同力度均匀插捣30下。
　　（4）建立集料之间不同比例与捣实密度、空隙率之间的关系，确立这两档粒径石料之间形成骨架结构的最优组成比例。
　　（5）以确定的比例为准，将26.5mm与19mm。两档石料作为第一级填充料，以同样的步骤1-4研究26.5mm,19mm与16mm的比例关系，并将其作为二级填充料；以此类推，最终确定26.5mm,19mm,16mm,13.2mm,9.5mm,4.75mm各档形成骨架时的最优比例。
　　通过填充法试验，#p#副标题#e#4.75mrn以上的粗集料将会形成空间骨架结构，且具有约37%的孔隙率。保证4.75mm及以上各档粗集料在总量中比例不变，形成稳定的空间骨架结构前提下，如果填充的细集料充满骨架孔隙，就会形成骨架—密实结构，拥有足够大的强度;如果减少细集料的含量，那么就没有足够的细料来填充骨架间的孔隙，就会形成骨架—孔隙结构，从而具有优异的排水性能为了找到既能隔断毛细水又具有足够强度的级配，是通过调整2.36mm及以下各档细集料的含量来实现。现保证4.75mm以上骨架结构不变，经过调整2.36mm筛孔及以下各档细料的含量，可以得到如表2的级配A、级配B和级配C:
　　表2三种不同级配
　　筛孔（mm） 31.5 26.5 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
　　通过率（%） A 100 90 75 66 59 46 33 23 16 11 8 6 0
　　 B 100 88 71 60 52 37 22 14 8 5 2 0 0
　　 C 100 86 67 55 46 29 12 7 3 1 0 0 0
　　对三种级配进行击实实验，得到级配A的密度大致为2.28g/cm3，孔隙率为11.9%；级配B的密度大致为2.22g/cm3，孔隙率为17.3%;级配C的密度大致为2.16g/cm3，孔隙率约为23.5%。可见，级配A为骨架密实结构，级配B与级配C均为骨架孔隙结构。
　　2.3 三种级配阻隔毛细水性能研究
　　传统的无结合料粒料的成型方法是在金属模具内击实或者震动成型，由于这种材料粘结力很差无法脱模进行试验且无法透过金属模具直接观察试件内部的毛细水上升情况，所以采用如下改进试验方法。用内径20cm，高3Scm的有机玻璃筒代替金属筒作为击实模具，直接将此有机玻璃筒放置入有一定深度的金属盆内，直接在玻璃筒中按级配A、级配B和级配C通过击实成型试件，试件采用干捣法成型。试件成型完成后，在金属盆内加水，即可直接观察玻璃模具内试件的毛细水上升情况。为了防止有机玻璃筒壁阻隔水分的进入，可在击实时在模具底部垫一块吸水性强的毛巾。毛细水观察的方法类似于纯土柱的毛细水试验，但由于碎石的毛细比土慢，所以在第一天每隔2个小时观察记录一次，以后每天观察记录一次，直至水上升至最高或毛细水停止上升为止。
　　对级配A、级配B与级配C进行综合分析，发现三种级配均能较好的起到阻隔地下水毛细上升的作用，且具有一定的排水能力。随着细料的减少，级配变粗、孔隙率增大，其阻隔毛细水与排水能力逐渐增强。但为了保证碎石排水层同时具有足够的强度，不能一味追求排水能力而加粗级配增大孔隙率，而且过大的孔隙率会造成了路基土更容易浸入碎石排水层，阻塞孔隙反而影响其排水能力。考虑到实验室内通过人工捣实达到的集料密实度无法与现场施工中所达到的密实度相比，所以在现场施工中采用重型机械压实会提高密实度，毛细高度也会有一定的增加。综合考虑以上因素，所以推荐在实体工程中应至少采用级配B，当地下水毛细高度较高时应考虑采用级配C，且此碎石排水层的最小填筑厚度应不小于40cm。
　　3碎石排水层的数值模拟
　　本文借助SEEP/W软件对水在碎石层中的毛细上升进行模拟。模型仍采用简单的平面二维模型，参考之前的室内试验结果取模型高度为lm，宽度为0.2m。共划分了160个四边形网格，含有243个节点。由于水在碎石与水在土中的毛细性能存在较大差异，所以不能直接将模型底部边界条件设置为lOm水头边界。参考实验室内碎石试件试验结果，并从安全考虑，取底边界的水头高度为1m。由于在碎石集料中，毛细水到达最大高度时间较短，所以直接采用稳态模拟#p#副标题#e#。分别将三种级配输入软件，假设碎石颗粒不吸水，其集料的孔隙率即为饱和含水率。对级配A碎石进行数值模拟。结果如图2所示。
　　由图2可见，在模型高度0.42m以下时其含水量均为级配A的饱和含水量11.9%所以级配A的最终毛细水上升高度为0.46m。当超过这一高度时碎石柱内含水量出现了转折，由12%直线下降至4%左右。含水量的变化几乎没有过渡，这与纯土柱的最终模拟结果存在较大差异。
　　通过数值模拟级配A的最终毛细高度达到了0.42m，高于室内试验最终毛细高度0.28m。这主要由于试验仪器限制，碎石的压实度相对较低，加之可能在成型时装料的不均匀，都会使毛细水上升高度降低。
　　级配B的最终毛细上升高度达到了约0.39m，低于级配A的0.42m。图2显示由于级配B粒径较级配A偏粗，所以其含水量随高度变化曲线表现更加陡直。
　　级配C的最终毛细上升高度达到0.3m，较级配B来说，毛细水的最终高度下降较明显，这是由于级配C是在级配B的基础上进一步减少2mm以下细料含量并剔除0.6mm以下的细集料，所以最终毛细水上升高度下降更明显，同时也说明在碎石材料中毛细水上升高度受细集特别是2.36mm以下影响较大。
　　通过SEEP/W对三种不同级配的碎石层模拟表明，随着级配的变粗碎石层中水的毛细高度逐渐降低也就是其隔水性能逐渐增加，说明碎石层厚度只要大于40cm，就可以满足阻隔毛细水的要求，为碎石排水层的设计提供了理论依据。
　　参考文献：
　　[1]李延.浅谈采用塑料排水板配合砂垫层进行软土地基施工.河南:交通与社会，2002
　　[2]张志峰.振动碾压水泥混凝土路面研究与实践.北京:公路交通科技，2004
　　[3]李浩.级配碎石基层沥青路面力学性能研究.长安大学，硕士学位论文，2008