美国公路排水系统概述

   2005-11-06 网友推荐未知7380
核心提示:许多年来,道路施工人员都明白,路面内部或附近的自由水会缩短道路的使用寿命。众所周知,如果自由水渗过路面浸入自然土层,则无

许多年来,道路施工人员都明白,路面内部或附近的自由水会缩短道路的使用寿命。众所周知,如果自由水渗过路面浸入自然土层,则无论该路面有多厚,都会因失去支承面而四分五裂。如今,若条件许可,大多数道路工程师都会在设计中考虑排水的问题。但如何把路面上的自由水排掉,仍然是一个很有争议的话题。?
1972年,美国联邦公路管理局在9个区域检查了几百英里的路面排水后,推荐采用全宽结构排水。该排水系统由一个带收集器的过滤层保护的透水基层和排水口组成。在加尼福利亚州,一经试验过的两层断面的排水量是一个控制断面的3~9倍。因此,联邦公路管理局把这种沥青处治透水过滤层和收集系统列入了施工指导规范。?
目前典型的排水层未经稳定处理,或者是由沥青或水泥加固的集料组成。然而,这样的排水层只是一种折衷办法。增加排水层透水性会使排水加快,但排水层的结构稳定性却都相应地减少,必须兼顾和平衡。
在排水的基层设计方面,也许最成熟的当属德国。其设计的特点是,在混凝土板下面采用10cm厚的沥青处治材料或贫混凝土或水泥处治的基层。若采用贫混凝土,则要粘接到平板上。为了防止反射裂缝,要把基层上的接缝或槽缝准确地放在板接缝的下面。底基层是75cm厚的粒料层,从一侧向另一侧是2.5%倾斜,水滴从4%斜坡的一端流向平板内暗沟中。在路肩下,一多孔的混凝土层将水排到暗沟外。德国的排水系统既可以排除路表的水,也可以排除地下水。?
法国的工程师正在试验采用土工织物进行排水的方法。具体的做法是:把土工织物置于一个新水泥板和原热拌沥青路面密实集料底基层之间,厚土工织物兼有排水和过滤石屑的作用。这种方法还没有正式采用。
加尼福尼亚州运输部最近在基层设计中有了一些变化,某些方面类似德国的断面设计,该设计于1996年中期正式应用在混凝土公路建设中。承担数百万等效单轴荷载,需要采用贫混凝土路面时,要在接缝抽吸,从基岩上除去沥青,并且在接缝处错位。在使用基层材料方面,加州过去允许采用下列四种材料的任一种。即透水性沥青处治材料、透水水泥处治材料、贫混凝土和密级配的沥青稳定材料。沥青处治基层仍可以用小交通量的路面。对于交通指数小于10的路面,加州运输部还规定:标准的基层厚度为1cm,此规定生效于1995年7月。在加州道路工程投标者可以投标沥青处治透水材料,也可以投标水泥处治材料,这样可使投标更具竞争力。加州现在路基稳定,边缘排水沟都置有土工布滤层,以防止水将石屑冲入沟中的透水材料内。?
如果透水基层放在集料基层,那么底基层必须浇透层油。例如铺上沥青,这样就能防止石屑被泵吸到透水层。加州运输部减少了上述底基层的石屑允许量,并规定用浅边缘水排水沟排除路表自由水。这种排水装置位于排水层下2.5~5cm处,以截断横向水。如果存在地下水的问题,就再建一个第二排水系统,它通常是由一个过滤织物做成的透水层,水会进入截断系统。?
过去几年,加州几乎在所有的州际公路实施了边缘排水计划。所有的路面改建都采用了边缘排水,其中包括“破裂和加固”工程。所谓“破裂和加固”工程,就是破裂混凝土路面,再铺上热拌沥青。然而,这种做法在某些地方又因农田灌溉淹没边缘排水沟而带来一些问题。
爱荷华州也同加州一样,多年来一直在建造公路排水系统。1984年在埃迪县Ⅰ-80段改建了一段损坏的全厚沥青路面,将37cm厚的路面粉碎和去除25cm,其余的做成开级配集料基层,安置上边缘排水,然后在路面铺上25cm厚的波特兰水泥混凝土。通常暗沟放在平板的两边,挖一个120cm深、25cm宽的沟槽,用重砾石做回填土。该断面仍采用破裂法(见图1)。

注:此断面图表示爱荷华州运输部干线和州际公路的设计,15cm厚的砾石底基层加上一个纵向排水沟,可迅速排掉板下的水。

图1

  与此形成对照的是,在邻近的达拉县Ⅰ-80段,同样的37cm全厚沥青路面上,没有采用排水层,也没有排水沟,仅仅把表面破碎并在嵌缝集料层上重铺一层厚25cm的波特兰水泥混凝土,接缝间距为50m。显然,沟槽排水比多孔排水效果要好得多。当水在多孔排水中遇到圆孔时,就会加快流动并冲刷周围的集料,把内部的石屑带走,并堵塞排水装置。在槽沟排水中,水流都始终保持一定的速度。这类排水系统包括汉克排水系统和高级排水系统(ADS),这类排水既无冲刷又无阻塞。?
爱荷华州对沥青和混凝土路面下方的排水层进行了规范,即如果交通量达700辆卡车,就要做排水基层,允许和鼓励使用再生混凝土。而对于再生混凝土,爱荷华州规定,通过8号筛的混凝土最大量为20%,对于原始集料,最大量为35%,1%的斜坡上混凝土和沥青下方的透水基层厚度为15~25cm,在这些基层上,不允许施工车辆行驶,仅允许双滚筒式压路机进行3次压实,每cm?2材料上的规定压力极限为0.5N。如果车辆行驶在基层上,就会降低材料的使用性能。对于混凝土材料,正常程序是从两边开始修造,沥青工作人员用材料传送机把沥青铺到基层上。在爱荷华州,透水层的工作状态出乎意料地好。每两年进行一次的试验结果表明,公路的结构均匀度完好如初。沥青或波特兰水泥混凝土路面的试验数据一直令人满意。爱荷华州通常要在改造路面前一年设置排水装置,这样既能排掉积水,风干基层到面层的中间层,又能起到稳固结构的作用。爱荷华州还采用了深沟排水法,即路面下排水沟深至105~120cm,这样才能形成一个附加的水头,其断面类似抛物线,它除收集路表水外,还可以收集地下水。?
在某些情况下,爱荷华州规定“破碎和加固”修建工程,要破开混凝土路面,然后压实,最后要在压实的面层铺上热拌沥青。在破碎混凝土前一年设置边缘排水系统,这样可以使挖沟机直接工作在连续的平板上,而不是工作在破碎的混凝土上。?
明尼苏达州运输部多年来一直在推行排水系统。现在正在实施“深强”设计,要求热拌沥青和粒石基层材料的总厚度为75~90cm,如果沥青层厚达25cm,就要增加50cm的粒石材料,使总厚度达75cm。对于高交通量路面,总厚度将达54cm。若底基层是粒石土壤层,就不要求在热拌沥青下设置特别的排水系统。但若路基是塑性的,该州则规定纵向排水边沟至少54cm深,同时还评估了沥青路面开级配透水基层。近年来,明尼苏达州修建了10段试验路,每段路的10cm透水性沥青稳定基层上铺了25cm的热拌沥青。该基层位于7.5cm厚的密级配过滤层上方,路面交通是在州际道路到乡镇公路的范围内,有三段试验路已於1995年建成,有些沥青路比预想的要差些。某些人以为,可以通过增加沥青的厚度来解决问题,其实并非如此,必须要解决排水问题。?
在明尼苏达州,混凝土路要铺上10cm开级配集料或者透水和沥青稳定基层材料。一般该类路面在7.5cm厚的过滤层下方有一纵向排水系统。施工方既可用稳定材料,也可用未经稳定的材料。?
然而,佛罗里达州却没有碰到柔性路面下的排水问题。该州要求在热拌沥青路面下,有5~7.5cm的砂土基层。这种材料必须满足AASHTO的A-3和A-2-A的要求。如果在该州道路和施工中没有使用这种材料,施工者必须深挖再使用该材料。混凝土下方的基材中采用了大量12%的细料。这方面的工作才刚刚开始,还没有完全得到实践的验证。?
佛罗尼达州在一批建了30年的老路上钻孔,发现使用状态最好的路面是那些建造在沙基上的路面。曾一段时期,细料的规定含量最大为5%。然而,后来发现那些超过5%,甚至高达20%细料含量的路面,其使用性能仍然很好。因此,就折衷地规定细料含量为12%。?
在佛罗里达州,一些波特兰水泥混凝土路面下,贫混凝土层存在某些问题。该基层受到浸蚀或者因翘曲应力引起路面裂缝。60年代建造在砂土基层上的波特兰水泥混凝土路面,使用状态良好,由于中间板的裂缝问题,现已不采用贫混凝土基层的做法。


 
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