（道路與鐵道工程專(zhuān)業(yè)論文）道路改擴(kuò)建工程綜合排水系統(tǒng)研究.pdf

摘要 我國(guó)交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展要求道路在使用性能和滿(mǎn)足交通量?jī)煞矫娌粩嗟奶岣?，?是由于我國(guó)過(guò)去對(duì)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)不到位、對(duì)交通量預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確等原因，使得部分新 建道路在使用初期就出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性破壞，或是沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)年限就出現(xiàn)交通量飽和現(xiàn) 象，已無(wú)法滿(mǎn)足使用要求。因此，如何在盡量降低工程投資的前提下，對(duì)現(xiàn)有道路進(jìn)行 改造，改善其承載能力及行車(chē)質(zhì)量，或是將交通量飽和的道路擴(kuò)建，使其適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì) 的發(fā)展需要，是我國(guó)現(xiàn)階段道路建設(shè)中亟待解決的問(wèn)題之一。本文以京珠高速鄭州至漯 河段改擴(kuò)建工程為依托，針對(duì)改擴(kuò)建工程中的排水問(wèn)題進(jìn)行了研究，分析了不同排水方 案的排水效果，優(yōu)化了改擴(kuò)建排水方案，最終為該工程提出了合理的排水方案。主要研 究?jī)?nèi)容如下； 參考新建道路內(nèi)部排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，提出多種改擴(kuò)建道路內(nèi)部排水系統(tǒng)的布設(shè) 方案，并通過(guò)s e e p w 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，優(yōu)化了排水方案。 針對(duì)原道路缺乏中央分隔帶排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀，對(duì)中央分隔帶排水系統(tǒng)的改擴(kuò)建布設(shè) 方法進(jìn)行了研究，并通過(guò)s e e p w 軟件模擬了各種排水方案的排水效果，最終推薦了最 優(yōu)方案。 應(yīng)用d r i p 軟件對(duì)影響道路內(nèi)部排水系統(tǒng)中排水基層排水效果的影響因素進(jìn)行了深 入分析，進(jìn)行了排水基層材料的設(shè)計(jì)，以及不同方案的排水基層幾何設(shè)計(jì)。 最后結(jié)合本項(xiàng)目道路內(nèi)部排水系統(tǒng)和中央分隔帶排水系統(tǒng)的布設(shè)方案，推薦了不同 路段的綜合排水方案，并通過(guò)s e e p w 進(jìn)行了整體排水效果的數(shù)值模擬，驗(yàn)證了綜合排 水方案的有效性。 關(guān)鍵詞：道路擴(kuò)建；數(shù)值模擬；中央分隔帶排水；道路內(nèi)部排水；道路綜合排水； 排水基層；s e e p a v ；d ri p ； a b s t r a c t n e r a p i dg r o w t ho f o u rs t a t et r a n s p o r t a t i o nr e q u i r e st h a tb o t hs u p e r i o rp e r f o r m a n c ea n d t r a f f i cs h o u l db ei m p r o v e dc o n s t a n t l y ，b u tb e c a u s eo fl a c ko fp a v e m e n ts t r u c t u r a ld e s i g na n d i n a c c u r a t et r a f f i cf o r e c a s t si nt h ep a s t ，m o s tn e wr o a d so c c u r e ds t r u c t u r a ld a m a g eo rs a t u r a t e d t r a f f i ci nt h ei n i t i a lp e r i o do fr o a d s ，a n dh a v eb e e nu n a b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t so fv e h i c l e s a c c o r d i n g l y ，i ti so n eo fu r g e n tp r o b l e m st h a th o w t ow i d e na n dr e h a b i l i t a t er o a d si no r d e rt o m e e tt h ed e m a n d so fv e h i c l e sa n dt h et r a f f i c ，w h i c hi sn e c e s s a r yf o rs o c i o e c o n o m i c d e v e l o p m e n t t h ep r o b l e mo fd r a i n a g ei nt h ep r o c e s so fr o a dw i d e n i n ga n dr e h a b i l i t a t i n g ， b a s e do nt h er o a dw i d e n i n gp r o j e c to fz h e n g z h o u i u o h es e c t i o n si nj i n g z h uh i g h w a y 1 1 1 e m a i nc o n t e n to ft h i sp r o j e c ti st h a tt h ee f f e c to fd i f f e r e n td r a i n a g ei t e m sa r es i m u l a t e db yt h e n u m e r i c a lm e t h o d ，a n dd r a i n a g ei t e m sa leo p t i m i z e db yt h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， f i n a l l yf i n d i n gt h eb e s t s o l u t i o nf o rt l l i sp r o j e c t 1 1 l ep a p e rp r o p o s e sv a r i o u sd r a i n a g eo p t i o n sa b o u ts u b s u r f a c ed r a i n a g eo fr o a d s ，w h i c e b a s eo nt h ed r a i n a g es y s t e md e s i g nf o rn e wr o a d s ，a n do p i o n sa r eo p t i m i z e db yt h er e s u l t s n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hs e e p w u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e s ，w h i c ht h e r ei sl a c ko fd r a i n a g es y s t e mi nt h ec e n t r a lr e s e r v e ， 1 1 1 ep a p e rs t u d yt h ec e n t r a lr e s e r v ed r a i n a g es y s t e ma n dp r o p o s em a n yd i f f e r e n to p t i o n sa b o u t i t ，a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e rc o n t r a s td r a i n a g ee f f e c to fv a r i o u sd r a i n a g eo p t i o n sb yt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t 3 , v a r es e e p w ，a n dr e c o m m e n dt h eb e s ti t e m i nt h i sp a p e r ，i n f l u e n c ef a c t o r so fp e r m e a b l eb a s eo nt h es u b s u r f a c ed r a i n a g es y s t e ma r e a n a l y s e db yt h es o f t w a r ed r i pd e e p l y ，a n dt h et h i c k n e s sa n dd r a i n a g ep i p e ss p a c i n go f p e r m e a b l eb a s ef o rv a r i o u sd r a i n a g eo p t i o n st ob eu s e di nt h ei t e ma r er e c o m m e n d ，d e p e n d i n g o nt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sb yd r i e c o m b i n i n gw i t ht h er e s e a r c hr e s u l t so fs u b s u r f a c ed r a i n a g es y s t e ma n dc e n t r a lr e s e r v e d r a i n a g es y s t e m ，t h ep a p e rr e c o m m e n dc o m p r e h e n s i v ed r a i n a g es y s t e mf i x e df o rd i f f e r e n t s e c t i o n si nt h ew i d e n i n ga n ds i m u l a t e dt h ee f f e c to fc o m p r e h e n s i v ed r a i n a g es y s t e mb y s e e p ，、礦 k e y w o r d s ：r o a d se x t e n s i o nw i d e n i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c e n t r a lr e s e r v ed r a i n a g e ； s u b s u r f a c ed r a i n a g e ；i n t e g r a t e dd r a i n a g eo fr o a d ；p e r m e a b l eb a s e ；s e e p w ； d i u p ： 長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文 1 1 課題的提出及研究意義 第一章緒論 隨著交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，道路不僅要能夠滿(mǎn)足交通量的需要，而且要有良好的承 載力和使用性能。但由于我國(guó)路網(wǎng)中低等級(jí)道路和已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的道路比重大，同 時(shí)由于過(guò)去結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和交通量預(yù)測(cè)方法不恰當(dāng)?shù)仍?，使得部分新建道路在使用初期?出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，或是提前出現(xiàn)交通量飽和的情況，以至于無(wú)法適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。 因此，對(duì)現(xiàn)有道路進(jìn)行改造，改善其承載能力及行車(chē)舒適性，或是將交通量飽和的道路 擴(kuò)建使其適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展的需要，是十分必要的i 。 在道路維修和改擴(kuò)建工程中，如何防止水分進(jìn)入到路基內(nèi)部和將進(jìn)入到路基內(nèi)部的 水分排出是改擴(kuò)建和維修工程的重要內(nèi)容。我國(guó)早期建成的高等級(jí)公路大部分未設(shè)置完 善的排水系統(tǒng)，因而在維修和改擴(kuò)建時(shí)不但要通過(guò)維護(hù)措施來(lái)保證已有排水設(shè)施的使用 性能，而且要對(duì)原有道路缺失的排水設(shè)施予以彌補(bǔ)，形成完善的道路排水系統(tǒng)。水對(duì)道 路的損害是非常嚴(yán)重的，通常所遇到的路基病害都直接或間接與水有關(guān)，進(jìn)入道路水的 來(lái)源主要有以下四種途徑【l 2 】：路面下滲水。當(dāng)雨水降落到路面上時(shí)，大部分水會(huì)沿路 面表面排出路基范圍，但還是有一部分水會(huì)通過(guò)路面的裂縫或孔隙進(jìn)入到路面結(jié)構(gòu)內(nèi) 部。地下毛細(xì)水。當(dāng)?shù)缆肺挥诘叵滤惠^高地區(qū)，同時(shí)路基填土毛細(xì)作用又比較強(qiáng)烈 時(shí)，地下水會(huì)通過(guò)毛細(xì)作用進(jìn)入到路基內(nèi)部。側(cè)向滲入水。側(cè)向水進(jìn)入到路基大致有 兩種路徑，一種是當(dāng)?shù)乇矸e水及路堤低矮時(shí)，水從側(cè)向滲入路面結(jié)構(gòu)中；另一種是在路 堤較高且未作坡面防護(hù)或坡面防護(hù)受損時(shí)，水從路堤側(cè)面滲入。中央分隔帶下滲水。 在中央分隔帶沒(méi)鋪筑表面防水層且沒(méi)有設(shè)置中央分隔帶內(nèi)部排水設(shè)施的情況下，當(dāng)雨水 降落到中央分隔帶內(nèi)時(shí)，部分水會(huì)下滲到道路面層和路基中。當(dāng)水分進(jìn)入到道路內(nèi)部時(shí)， 在車(chē)輛荷載和環(huán)境因素的反復(fù)作用下引發(fā)道路水損害，使路基穩(wěn)定性下降，路面的使用 性降低，嚴(yán)重影響道路的使用性能。只有設(shè)置完善的排水設(shè)施，才能保證路基的穩(wěn)定， 路面的使用性能，以及行車(chē)安全。 第一章緒論 側(cè)向滲：= 側(cè)向滲入水 圖1 - 1 進(jìn)入道路水分示意圖 改擴(kuò)建工程中公路排水設(shè)計(jì)有其特殊性，具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)參考新建道路的設(shè)計(jì)方法， 并對(duì)已有排水設(shè)施加以利用、維護(hù)和升級(jí)，對(duì)當(dāng)?shù)氐牡匦?、氣候、水? 年降雨量) 、 地下水情況做詳細(xì)的調(diào)查，依據(jù)公路排水設(shè)計(jì)的原則，設(shè)置合理的排水設(shè)施，形成一套 完整的排水系統(tǒng)，以最大限度減少水對(duì)路基、路面結(jié)構(gòu)和使用性能產(chǎn)生的損害。對(duì)道路 排水系統(tǒng)的改建工程中，路界表面排水系統(tǒng)較易完善，難點(diǎn)在于地下排水系統(tǒng)和路面內(nèi) 部排水系統(tǒng)的處理和完善。地下排水系統(tǒng)和路面內(nèi)部排水系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，維修難度大， 投資較大，因此在改擴(kuò)建過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，防止由于內(nèi)部排水設(shè)施 布設(shè)不當(dāng)而引發(fā)水損害。在改擴(kuò)建時(shí)布設(shè)完善的排水設(shè)施是非常重要的，但目前對(duì)排水 設(shè)施的改擴(kuò)建研究較少。 由以上分析可知，道路改擴(kuò)建工程中對(duì)排水設(shè)施布設(shè)方法的研究已經(jīng)迫在眉睫，如 何在改擴(kuò)建過(guò)程中布設(shè)合理的道路排水系統(tǒng)，使道路始終保持干燥穩(wěn)定的狀態(tài)是現(xiàn)在亟 待解決的課題。本課題依托京珠高速鄭漯段改擴(kuò)建工程來(lái)研究改擴(kuò)建道路排水系統(tǒng)。 1 2 國(guó)內(nèi)外研究綜述 1 2 1 公路改擴(kuò)建工程綜合排水系統(tǒng)研究 國(guó)外很早就對(duì)道路排水設(shè)計(jì)給予了足夠的重視，美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家早在 上世紀(jì)8 0 年代就針對(duì)道路排水制定了本國(guó)的規(guī)范，對(duì)道路排水設(shè)施如何設(shè)計(jì)和應(yīng)用條 件等做了詳細(xì)的規(guī)定，如美國(guó)聯(lián)邦公路局在1 9 8 4 年制定的道路排水設(shè)計(jì)規(guī)范、德國(guó) 在1 9 8 7 年制定的公路排水設(shè)施規(guī)范和日本在1 9 8 7 年制定的道路排水指南等【3 1 。 2 一 長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文 這些國(guó)家在道路建設(shè)中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并針對(duì)本國(guó)的實(shí)際情況提出了適合的綜合排 水系統(tǒng)。 雖然國(guó)外對(duì)道路排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究，但對(duì)于道路改擴(kuò)建工程 排水系統(tǒng)的研究卻相對(duì)較少。2 0 0 6 年美國(guó)聯(lián)邦公路局( f h w a ) 出版的道路排水技術(shù) 指南中提出了道路排水性能的具體評(píng)估方法和劃分道路排水設(shè)施排水能力的指標(biāo)，并 對(duì)不同排水能力的道路提出處理意見(jiàn)和方案【4 】。2 0 0 9 年美國(guó)聯(lián)邦公路局在發(fā)表的排水 設(shè)施管理系統(tǒng)報(bào)告中更為詳細(xì)的就如何對(duì)老路中的排水設(shè)施進(jìn)行評(píng)估進(jìn)行了說(shuō)明，并 提出了通過(guò)收集數(shù)據(jù)進(jìn)行道路排水系統(tǒng)排水能力的預(yù)測(cè)方法，并提出分析和維護(hù)已有排 水設(shè)施方法【5 1 。國(guó)外對(duì)道路排水系統(tǒng)的改建研究主要是集中到舊路排水設(shè)施的有效性評(píng) 價(jià)和舊路排水系統(tǒng)維修升級(jí)方面，并沒(méi)有明確提出改擴(kuò)建工程道路排水系統(tǒng)的改建方 法。 在我國(guó)高速公路建設(shè)初期，由于對(duì)道路排水設(shè)施的重視程度不夠，因此對(duì)道路排水 設(shè)施的研究較少，在早期建設(shè)的道路中，很少涉及到道路內(nèi)部排水設(shè)施，布設(shè)路表排水 系統(tǒng)的排水設(shè)施也主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，并沒(méi)有成體系。直到1 9 9 7 年我國(guó)才頒布了公 路排水設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)排水設(shè)計(jì)中的原則、設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)步驟等做了規(guī)定【6 l ，但公路 排水設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)排水設(shè)計(jì)的規(guī)定較為簡(jiǎn)單，再加上我國(guó)幅員遼闊，各個(gè)地區(qū)的氣候、 環(huán)境及工程地質(zhì)條件差異大，在實(shí)際使用中有很大的局限性【2 1 。到2 0 0 1 年由姚祖康編著 的公路排水設(shè)計(jì)手冊(cè)發(fā)行，我國(guó)道路排水設(shè)計(jì)的狀況才有了較大的改觀(guān)，公路排 水設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)道路建設(shè)中排水設(shè)施設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)的討論，并指出各地應(yīng)根據(jù)當(dāng) 地的實(shí)際情況進(jìn)行排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)分析當(dāng)?shù)氐挠炅?、地表徑流和地下水分?等因素，并對(duì)道路內(nèi)部排水設(shè)施進(jìn)行了詳述，包括排水基層材料的設(shè)計(jì)方法、排水基層 厚度的計(jì)算等，為我國(guó)道路內(nèi)部排水設(shè)施的布設(shè)提供了依據(jù)【_ 7 1 。 現(xiàn)階段雖然我國(guó)對(duì)道路排水系統(tǒng)進(jìn)行了一定的研究，實(shí)際工程中排水設(shè)施的布設(shè)也 越來(lái)越得到重視，但對(duì)道路改擴(kuò)建時(shí)排水設(shè)施的改建研究基本是一片空白。盡管我國(guó)對(duì) 公路改擴(kuò)建中排水設(shè)施布設(shè)方面的研究比較少，但是在實(shí)際的改擴(kuò)建工程中卻不乏成功 的事例，其中典型的是2 0 0 2 年的沈大高速公路改擴(kuò)建工程，該工程在道路新建部分布 設(shè)了砂粒墊層，與老路基中的砂粒墊層拼接【8 1 ，起到阻隔地下水進(jìn)入基層的作用，同時(shí) 在道路的兩側(cè)布設(shè)了排水基層，將進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水分排出道路，這些排水措施都 第章緒論 起到了很好的使用效果。除沈大高速外，廣佛、滬寧等高速公路改建工程的排水設(shè)施布 設(shè)都取得了良好的使用效果，可予以借鑒。 1 2 2 路面內(nèi)部排水系統(tǒng)的研究 加州大學(xué)研究表明：設(shè)置排水基層的柔性路面要比不設(shè)置排水基層的柔性路面平均 壽命延長(zhǎng)3 3 ，設(shè)置排水基層的水泥混凝土路面要比不設(shè)置排水基層的水泥混凝土路面 平均壽命延長(zhǎng)5 0 ，并且認(rèn)為這個(gè)預(yù)測(cè)還很保守1 9 】。由此可知，設(shè)置路面內(nèi)部排水系統(tǒng) 有利于改善路面的使用性能，延長(zhǎng)道路的使用壽命，降低道路的使用周期成本，較好的 實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。 國(guó)外對(duì)路面內(nèi)部排水系統(tǒng)的研究較早，美國(guó)早在1 9 7 3 年就由聯(lián)邦公路局制定了路面 結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南，1 9 8 6 年又進(jìn)一步在a a s h t o 設(shè)計(jì)指南中，把路面結(jié)構(gòu)排 水質(zhì)量作為一項(xiàng)設(shè)計(jì)因素加以考慮【i o l 。2 0 0 9 年美國(guó)明尼蘇達(dá)州大學(xué)在明尼蘇達(dá)州路 面內(nèi)部排水手冊(cè)中對(duì)路面內(nèi)部排水系統(tǒng)做了更為深入的研究】，研究?jī)?nèi)容包括：道路 內(nèi)部排水基層的設(shè)計(jì)方法、道路內(nèi)部排水系統(tǒng)的適用性、道路內(nèi)部排水系統(tǒng)的選擇和道 路內(nèi)部排水系統(tǒng)的維護(hù)等。日本和歐洲一些發(fā)達(dá)國(guó)家如法國(guó)、英國(guó)和德國(guó)等對(duì)道路內(nèi)部 排水系統(tǒng)也做了深入的研究，并在大量新建的道路中布設(shè)了路面內(nèi)部排水系統(tǒng)，路面內(nèi) 部排水系統(tǒng)在發(fā)達(dá)國(guó)家道路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。 我國(guó)在這方面起步較晚 9 j o l ，同濟(jì)大學(xué)于1 9 9 6 年修筑了廣東省茂名3 2 5 國(guó)道試驗(yàn)路， 1 9 9 7 年修筑了上海遠(yuǎn)東大道試驗(yàn)路，1 9 9 8 年修筑了滬青平公路改建試驗(yàn)路之。廣西交 通科研所于1 9 9 9 年修筑了廣西賓陽(yáng)南寧試驗(yàn)路，長(zhǎng)安大學(xué)于2 0 0 1 年修筑了河南省 豫3 1 線(xiàn)改線(xiàn)工程試驗(yàn)路等一系列排水系統(tǒng)試驗(yàn)路。我國(guó)現(xiàn)階段的道路內(nèi)部排水系統(tǒng)主 要處于試驗(yàn)階段，并未大規(guī)模的用于實(shí)際道路建設(shè)中。雖然道路內(nèi)部排水系統(tǒng)在我國(guó)的 應(yīng)用還屬于起步階段，但近年來(lái)也有學(xué)者對(duì)道路內(nèi)排水系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，研究主 要集中在排水系統(tǒng)的材料性能方面，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究較少，結(jié)構(gòu)方面主要是參 考國(guó)外的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。具有代表性的研究有： 同濟(jì)大學(xué)的謝洪斌、姚祖康等，對(duì)用于排水基層瀝青穩(wěn)定碎石性質(zhì)要求、影響因素 和設(shè)計(jì)方法等進(jìn)行了深入的研究，并通過(guò)試驗(yàn)提出了瀝青穩(wěn)定碎石材料滲透系數(shù)和抗壓 回彈模量值的預(yù)估模型 1 2 - 1 4 】，通過(guò)瀝青穩(wěn)定碎石的空隙率來(lái)預(yù)估排水基層的滲透系數(shù)和 4 長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文 抗壓回彈模量，為瀝青穩(wěn)定碎石用于排水基層提供了理論和技術(shù)上的支持。 長(zhǎng)安大學(xué)的鄭木蓮等，對(duì)道路內(nèi)部排水系統(tǒng)中的邊緣排水系統(tǒng)和排水基層排水系統(tǒng) 布設(shè)方法進(jìn)行了研究【1 5 】，并對(duì)用于排水基層中的水泥穩(wěn)定碎石的各項(xiàng)性質(zhì)進(jìn)行了深入的 探討【l o l ，通過(guò)大量的試驗(yàn)回歸出了水泥穩(wěn)定碎石滲透系數(shù)與空隙率之間的關(guān)系，得出了 一系列水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變特性，為水泥穩(wěn)定碎石應(yīng)用于排水基層提供了理論 上的支持。 東南大學(xué)的諸永寧也對(duì)道路內(nèi)部排水系統(tǒng)進(jìn)行較為深入的研究，他主要進(jìn)行了路面 內(nèi)部排水系統(tǒng)滲透的分析、排水基層材料滲透系數(shù)與連通空隙率的關(guān)系研究和路面內(nèi)部 排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法研究【l6 1 。 湖南大學(xué)的吳東強(qiáng)、劉明等對(duì)路面內(nèi)部排水系統(tǒng)進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。吳東強(qiáng)主 要對(duì)路面內(nèi)部排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、排水能力計(jì)算、排水基層材料設(shè)計(jì)和造價(jià)等方面進(jìn) 行了研究【1 7 】。劉明則著重通過(guò)軟件模擬來(lái)研究水分在道路內(nèi)部排水系統(tǒng)中的滲流規(guī)律， 通過(guò)分析相同雨量邊界條件的情況下道路內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)層的含水量變化和不同雨量邊 界條件下相同路面結(jié)構(gòu)的含水量變化來(lái)分析設(shè)置路面內(nèi)部排水系統(tǒng)對(duì)道路各結(jié)構(gòu)層含 水量的影響【1 8 】，對(duì)道路內(nèi)部排水系統(tǒng)的使用效果進(jìn)行驗(yàn)證，為其使用提供依據(jù)。 1 2 3道路排水s e e p w 軟件數(shù)值模擬研究 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，近年來(lái)使用計(jì)算機(jī)模擬分析道路排水特性的研究工作越來(lái)越多。 通過(guò)有限元軟件建模模擬各種道路排水設(shè)施的排水效果，能夠?yàn)榈缆放潘脑O(shè)計(jì)提供幫 助，有利用道路排水技術(shù)的發(fā)展。 在國(guó)外，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件模擬道路排水的研究較多，常用的軟件有s e e p w 、v s 2 d i 、 m o d f l o w 等，研究人員發(fā)現(xiàn)這幾款軟件都能夠較好的模擬道路排水設(shè)施的排水過(guò)程，但 針對(duì)飽和與非飽和兩種不同情況模擬時(shí)應(yīng)區(qū)別采用。由于s e e p w 軟件模擬非飽和滲流 的效果較好，同時(shí)道路工程中水分滲流過(guò)程屬于非飽和滲流，因此在道路排水模擬中應(yīng) 用的較多。國(guó)外應(yīng)用s e e p w 軟件模擬道路排水的代表性研究有： a r i z a 采用s e e p a v 軟件對(duì)明尼蘇達(dá)州三條公路進(jìn)行非飽和滲流模擬。對(duì)非飽和介 質(zhì)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，得出土水特征曲線(xiàn)進(jìn)氣值、斜率、初始地下水位、雨 型等參數(shù)對(duì)公路斷面滲流場(chǎng)有很大影響的結(jié)論【l9 1 。 第一章緒論 r a b a b a h ，s a m e rr ，l i a n g ，r o b e r ty 等利用s e e p w 軟件建立有限元模型模擬非飽和 狀況下瀝青路面排水基層的排水過(guò)程，得出相應(yīng)的排水時(shí)間，并與基于飽和滲流計(jì)算的 d r i p 軟件計(jì)算結(jié)果作對(duì)比，得出s e e p w 軟件計(jì)算出的排水時(shí)間長(zhǎng)于d r i p ；同時(shí)利用 s e e p w 對(duì)影響路面內(nèi)部排水系統(tǒng)排水時(shí)間的因素進(jìn)行了分析，并對(duì)道路基層和底基層 的“水力傳導(dǎo)曲線(xiàn) 和“土水特征曲線(xiàn)”對(duì)排水系統(tǒng)的排水效果進(jìn)行了分析【2 0 1 。 美國(guó)俄亥俄州運(yùn)輸部( o d o t ) 采用6 種不同的排水基層材料( 水泥穩(wěn)定碎石、瀝 青穩(wěn)定碎石和4 種級(jí)配碎石) 鋪筑了6 條試驗(yàn)路，利用s e e p w 軟件模擬了6 條試驗(yàn)段 的排水效果與實(shí)際情況作對(duì)比，對(duì)比結(jié)果顯示二者有很大的相關(guān)性，得出s e e p w 軟件 能夠很好的擬合實(shí)際的排水情況的結(jié)論【2 1 1 。 美國(guó)肯塔基州運(yùn)輸部的研究人員通過(guò)s e e p w 軟件建立模型模擬排水基層內(nèi)部水分 的滲流過(guò)程，并對(duì)排水基層材料的力學(xué)性質(zhì)和滲透系數(shù)等進(jìn)行了研究，對(duì)排水基層中穩(wěn) 定流的滲流路徑和滲流通過(guò)量進(jìn)行了分析，并對(duì)各種不同排水設(shè)施的排水性能進(jìn)行了對(duì) 比分析口2 矧。 近幾年，國(guó)內(nèi)也有研究人員開(kāi)始利用s e e p w 軟件對(duì)道路排水進(jìn)行數(shù)值模擬，代表 性的研究有： 吳宏偉等采用s e e p w 軟件模擬雨水入滲引起的土坡瞬態(tài)滲流場(chǎng)。分析降雨強(qiáng)度、 降雨歷時(shí)、斜坡表面入滲率、土體飽和滲透系數(shù)和隔水層的埋深與厚度的比值等參數(shù)對(duì) 瞬態(tài)滲流場(chǎng)的影響，并得出雨水入滲引起非飽和土中基質(zhì)吸力喪失或減小是導(dǎo)致土坡失 穩(wěn)的主要原因【2 4 1 。 趙江采用s e e p w 軟件對(duì)十九種不同的路基路面防排水方案在四種不同降雨強(qiáng)度以 及不同歷時(shí)條件下的滲流場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算和比較分析。指出當(dāng)降雨強(qiáng)度比較小 時(shí)，路面結(jié)構(gòu)層中的壓力水頭是隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大，在路肩和路面結(jié)構(gòu)層下方 均為相同的強(qiáng)透水填料的情況下，路面結(jié)構(gòu)層的橫向滲流要比路面結(jié)構(gòu)層滲入路床的豎 向滲流量大很多2 5 1 。 赫磊采用s e e p w 對(duì)兩種路基填土的毛細(xì)水上升進(jìn)行數(shù)值模擬，并與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果 對(duì)比，找到利用土水特征曲線(xiàn)估算土壤毛細(xì)水最大上升高度的方法。并且對(duì)擴(kuò)寬路基中 碎石排水基層的實(shí)際作用進(jìn)行了模擬，驗(yàn)證了路基碎石排水層的有效性，最后對(duì)實(shí)體工 程擴(kuò)寬路基綜合排水系統(tǒng)提出建議【2 1 。 6 長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文 何要超利用s e e p w 對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行非飽和滲流數(shù)值模擬，分析降雨期間和雨停后 排水階段路面結(jié)構(gòu)各層的非飽和滲流規(guī)律。同時(shí)利用該軟件對(duì)中央分隔帶降雨進(jìn)行數(shù)值 模擬，并與模擬降雨試驗(yàn)作對(duì)比，分析中央分隔帶填土的雨水入滲規(guī)律及排水設(shè)施的排 水能力和排水效果，最終得出降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)以及填土類(lèi)型對(duì)中央分隔帶降雨入滲 的影響1 2 6 1 。 綜上所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)道路排水進(jìn)行了大量的研究，并取得了很多有價(jià)值的成果，但 研究大多是針對(duì)新建道路進(jìn)行的，而對(duì)道路改擴(kuò)建工程的研究主要集中在如何控制路基 差異沉降，對(duì)改擴(kuò)建排水的研究只涉及一般原則，并沒(méi)有提出具體的排水系統(tǒng)改建方案 1 2 1 。在改擴(kuò)建過(guò)程中，如何使原來(lái)缺少排水系統(tǒng)或排水系統(tǒng)不健全的道路擁有完善的排 水系統(tǒng)是改擴(kuò)建工程中一個(gè)重要內(nèi)容。因此，本課題依托鄭漯高速公路改擴(kuò)建工程，對(duì) 道路改擴(kuò)建工程中央分隔帶排水系統(tǒng)和路面內(nèi)部排水系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出改擴(kuò)建工程排 水系統(tǒng)改建方法，并用數(shù)值方法來(lái)模擬驗(yàn)證排水系統(tǒng)的排水效果。 1 3 本研究的主要內(nèi)容及技術(shù)路線(xiàn) 1 3 1 研究的主要內(nèi)容 本文以京珠高速公路鄭州至漯河段改擴(kuò)建工程為依托，結(jié)合改擴(kuò)建工程實(shí)際情況進(jìn) 行研究。 研究的主要內(nèi)容有：結(jié)合已有改擴(kuò)建工程的成功經(jīng)驗(yàn)，提出道路在改擴(kuò)建過(guò)程中路 面內(nèi)部排水系統(tǒng)、中央分隔帶排水系統(tǒng)的改擴(kuò)建方案，并利用s e e p w 軟件對(duì)所提出的 方案進(jìn)行優(yōu)化：通過(guò)d r i p 軟件對(duì)路面內(nèi)部排水系統(tǒng)中的排水基層進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)影響 排水基層厚度和排水基層排水時(shí)間的因素進(jìn)行分析研究；分析研究原有道路發(fā)生水損害 的原因，提出道路改擴(kuò)建的綜合排水建議。重點(diǎn)研究的內(nèi)容有以下幾個(gè)方面： 1 ) 改擴(kuò)建工程中央分隔帶排水方案研究； 2 ) 改擴(kuò)建工程路面內(nèi)部排水系統(tǒng)方案研究； 3 ) 路面內(nèi)部排水系統(tǒng)排水基層分析與設(shè)計(jì)； 4 ) 擴(kuò)寬路基工程總體排水效果數(shù)值模擬； 5 ) 擴(kuò)寬路基工程綜合排水建議 7 第一章緒論 1 3 2 技術(shù)路線(xiàn) 本課題首先提出道路改擴(kuò)建時(shí)路面內(nèi)部排水系統(tǒng)和中央分隔帶排水系統(tǒng)的多種改建 方案，然后通過(guò)s e e p w 軟件模擬進(jìn)行方案優(yōu)化；通過(guò)d r i p 軟件對(duì)影響排水基層厚度 和排水基層排水時(shí)間的因素進(jìn)行分析，對(duì)優(yōu)化后的路面內(nèi)部排水基層材料進(jìn)行了設(shè)計(jì)； 通過(guò)調(diào)研分析原有道路的水損害發(fā)生的原因，提出適合本工程的排水系統(tǒng)概括方案，具 體技術(shù)路線(xiàn)如圖1 2 所示。 技術(shù)路線(xiàn) 鄭漯高速改擴(kuò)建現(xiàn)場(chǎng) 調(diào)研 路面內(nèi)部排水系 統(tǒng)研究 路面內(nèi)部排水 系統(tǒng)方案擬定 數(shù)值模擬比選 方案 中央分隔帶排水 系統(tǒng)研究 中央分隔帶改 建方案擬定 數(shù)值模擬比選 方案 排水層材料i l 排水層排水i 廣i 廣上一 的設(shè)計(jì) i 效果的模擬ji 鋸槽防滲墻排il 碎石排水墻排 t l 廣_ ji 水效果模擬li 水效果模擬 d r i p 軟件排水層 分析與設(shè)計(jì) 道路內(nèi)部排系統(tǒng) 改建方案推薦 中央分隔帶改 建方案推薦 道路改擴(kuò)建其他 排水設(shè)施研究 攔水緣石的布 設(shè)方法研究 邊溝的布設(shè)形 式推薦 超高段中央分 隔帶排水研究 路堤邊坡防排 水研究 改擴(kuò)建其他排 水設(shè)施推薦 鄭漯高速改擴(kuò)建綜合排 水建議 圖1 - 2 技術(shù)路線(xiàn) 8 長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文 第二章工程概況及滲流參數(shù)確定方法 本章首先對(duì)京珠高速鄭州至漯河段( 簡(jiǎn)稱(chēng)鄭漯高速公路) 改擴(kuò)建工程的實(shí)際情況進(jìn) 行介紹，并對(duì)其現(xiàn)有的排水設(shè)施進(jìn)行了分析，確定了數(shù)值模擬中涉及到的土水特征曲線(xiàn) 和非飽和土計(jì)算中的參數(shù)解法，為后面方案比選和數(shù)值模擬做鋪墊。 2 1 鄭漯高速公路現(xiàn)狀 2 1 1鄭漯高速公路道路結(jié)構(gòu)形式 鄭漯高速公路是京珠高速在河南境內(nèi)的一部分，起自鄭州，途經(jīng)新鄭、許昌終點(diǎn)至 漯河，是鄭州通往新鄭機(jī)場(chǎng)的必經(jīng)之路，鄭漯高速公路所經(jīng)行政區(qū)域如圖2 1 所示。自 19 9 8 年建成通車(chē)以來(lái)，鄭漯高速公路以?xún)?yōu)質(zhì)服務(wù)承載著繁重的運(yùn)輸任務(wù)，為該地區(qū)的經(jīng) 濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，但是隨著該地區(qū)區(qū)域經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，鄭漯高速公路的交通壓力 l ：i 顯突出，已逐漸滿(mǎn)足不了交通量的要求，因此急需擴(kuò)建。 ，鬻徽2 置泛”礅縣 棚甚 夕湍一黏：陽(yáng)縣碴強(qiáng)髓縣 娃 掣市 朋0 ； 翻。 。牙躺二_ 警縣 、 民權(quán)縣 記縣 。 一 氏縣礓許墨l t a - 一中 氏縣 一 1 扶溝縣，太康縣 犧i 西華縣二淮用縣。 。問(wèn)口市邶城縣 。i 萄7 g 縣 麓陽(yáng)鼻 項(xiàng)城市 圖2 - 1 鄭漯高速公路行政區(qū)域圖 原鄭漯高速公路在建設(shè)時(shí)采用了三種不同的路面結(jié)構(gòu)形式。在機(jī)場(chǎng)至新鄭段，采用 9 第二章i ：程概況及滲流參數(shù)確定方法 的路面結(jié)構(gòu)形式如表2 1 所示： 裹2 - 1 機(jī)場(chǎng)至新鄭段路面結(jié)構(gòu) 層位材料類(lèi)型厚度 粗粒式瀝青混凝士 5 c m 面層 振動(dòng)碾壓水泥混凝十 2 3 c m 水泥穩(wěn)定碎石基層 1 5 c m 基層 二灰穩(wěn)定十底基層 1 5 c m 新鄭至許昌段，采用如表2 2 所示路面結(jié)構(gòu)形式： 表2 - 2 新鄭至許昌段路面結(jié)構(gòu) 層位 材料類(lèi)型厚度 粗粒式瀝青混凝七 5 c m 面層 水泥混凝十2 5 c m 水泥穩(wěn)定碎石基層 2 0 c m 基層 - 二灰穩(wěn)定十底基層 1 5 c m 許昌至漯河段，采用如表2 3 所示路面結(jié)構(gòu)形式： 表2 - 3 許昌至漯河段路面結(jié)構(gòu) 層位材料類(lèi)型厚度 中粒式瀝青混凝十 4 c m 面層 粗粒式瀝青混凝十 5 c m 熱拌瀝青碎石f 面層 7 c m 水泥穩(wěn)定碎石基層 2 0 c m 基層 石灰穩(wěn)定十底基層 3 0 c m 鄭漯高速公路全線(xiàn)采用平原微丘區(qū)高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，雙向四車(chē)道整體式路基，路 基寬度為2 6 0 m ，設(shè)計(jì)車(chē)速1 2 0 k m h 。 l o 長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文 2 1 2 鄭漯高速公路所屬地區(qū)自然地理狀況 + 鄭漯高速公路位于黃淮沖積平原中西部，自北向南為黃河二級(jí)階地和黃河沖積平原 兩大地貌區(qū)，為平原地形，如圖2 2 所示。該地區(qū)屬溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)，多年平均最低 氣溫1 2 。c ，多年平均最高氣溫3 5 c 。歷年平均降雨量為6 4 6 1 - 7 3 0 0 毫米，最大年降 雨量為1 0 4 1 9 毫米，降雨多集中在夏季。 圖2 2 鄭灄高速公路區(qū)域地形圖 2 1 3 鄭漯高速公路改擴(kuò)建工程加寬方案 道路擴(kuò)建的方式主要有兩種，即整體式路基擴(kuò)建和分離式路基擴(kuò)建，而整體式路基 擴(kuò)建方式又分為雙側(cè)加寬和單側(cè)加款兩種形式。每種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，如表2 - 4 所示。 表2 4 不同方案的優(yōu)缺點(diǎn) 方案整體式路基分離式路基雙側(cè)加寬單側(cè)加寬 1 占地、拆遷少；1 - 不影響現(xiàn)有交通；1 雙側(cè)各加寬8 m ，拆1 不影響交通： 2 對(duì)環(huán)境影響??；2 避免了一些擴(kuò)寬上遷少；2 可利用一些排水 3 更好適應(yīng)交展需的技術(shù)難點(diǎn)。2 不影響線(xiàn)形：設(shè)施。 優(yōu)點(diǎn)要；3 對(duì)加寬路面采取針 4 為以后的發(fā)展留下 對(duì)性強(qiáng)化措施； 選擇余地。4 不用改變中央分隔 帶。 第二章工程概況及滲流參數(shù)確定方法 1 影響現(xiàn)有交通：1 占地、拆遷大對(duì)環(huán)1 影響交通；1 單側(cè)加寬1 6 m ， 2 有技術(shù)難度。境影響大；2 無(wú)法利用兩側(cè)排水拆遷大； 2 以后發(fā)展的余地設(shè)施。2 影響線(xiàn)形； 缺點(diǎn) ??；3 重新設(shè)置中央分 3 路基間邊溝排水困 隔帶。 難。 鑒于雙側(cè)加寬的優(yōu)點(diǎn)，鄭漯高速公路在改擴(kuò)建中采用整體式路基雙側(cè)加寬的方式， 原路基每側(cè)加寬8 m ，具體布設(shè)方法如圖2 3 所示： 圖2 - 3 鄭瀑高速公路改擴(kuò)建路基加寬示意圖 2 2 鄭漯高速公路路基路面水損害類(lèi)型 由于鄭漯高速公路修建時(shí)間較早，道路排水系統(tǒng)不完善，因此道路排水不良引起的 道路破壞現(xiàn)象較為嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鄭漯高速公路具有代表性的路基路面病害 主要有：縱縫與橫向反射裂縫、路面的松散和坑槽、路基沉陷、路基含水量過(guò)大等，如 圖2 - 4 - - 2 7 所示。 長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文 圖2 4 縱向裂縫圖2 - 5 橫向反射裂縫 圖2 - 6 位于行車(chē)道上的松散和坑槽圖2 7 橋頭部位的不均勻沉陷 2 3 鄭漯高速公路原有排水系統(tǒng)分析 高速公路排水系統(tǒng)主要包括路界表面排水、路面內(nèi)部排水和地下排水三部分，其具 體分類(lèi)如圖2 - 8 所示。 第二章工程概況及滲流參數(shù)確定方法 圈2 - 8 高速公路排水系統(tǒng)組成 調(diào)研發(fā)現(xiàn)鄭漯高速公路沒(méi)有設(shè)置任何路面內(nèi)部排水設(shè)施和地下排水設(shè)施，而其路界 表面排水系統(tǒng)也不完善。 路面表面排水形式采用路肩外側(cè)設(shè)置攔水帶匯集路表水，然后通過(guò)急流槽統(tǒng)一排放 到邊溝的集中排水形式，如圖2 - 9 所示。 圖2 - 9 路表集中式排水的急流槽和攔水帶 調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鄭漯高速公路采用集中式排水并沒(méi)有起到理想的效果，分析原因是由于 鄭漯高速公路位于平原區(qū)公路縱坡較緩，合成坡度較小所致。道路攔水帶內(nèi)層積水給行 車(chē)帶來(lái)安全隱患，同時(shí)積水使路面長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中，使水更容易滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部引 起水損害。 鄭漯高速公路中央分隔帶采用敞開(kāi)和封閉兩種形式，如圖2 一1 0 所示。鄭漯高速公 路修建時(shí)中央分隔帶內(nèi)部均沒(méi)有設(shè)置排水設(shè)施，因此水分一旦下滲到中央分隔帶內(nèi)就很 1 4 長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文 難排出，從而導(dǎo)致中央分隔帶內(nèi)含水量過(guò)高，甚至出現(xiàn)在中央分隔帶內(nèi)“鉆井抽水的 現(xiàn)象，中央分隔帶下滲水已經(jīng)成為該道路路基水分增大的一個(gè)主要原因。 圖2 1 0 鄭漯高速公路封閉和敞開(kāi)的中央分隔帶 鄭漯高速公路路基防排水主要由邊坡防護(hù)、邊溝排水、邊溝涵排水、排水溝與蒸發(fā) 池等組成。邊坡防護(hù)采用漿砌片石的防護(hù)和植物防護(hù)兩種方法，都起到了有效的防護(hù)作 用，如圖2 1 1 所示。 圖2 1 1漿砌片石和植物防護(hù)的邊坡 路堤兩側(cè)采用梯形漿砌片石邊溝，如圖2 1 2 、2 1 3 所示。調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于缺少維 護(hù)，在邊溝溝底存在一些雜草和淤泥，使部分水分滯留在邊溝內(nèi)無(wú)法排出。 第二章_ t 程概況及滲流參數(shù)確定方法 圖2 1 2 漿砌片石邊溝圖2 1 3 路基旁的積水邊溝 由于縱坡較緩，加之鄭許段沿線(xiàn)河流、溝渠較少，當(dāng)邊溝內(nèi)的水在較長(zhǎng)的路段內(nèi)無(wú) 處可排時(shí)，原道路在適當(dāng)位置設(shè)置排水溝、蒸發(fā)池將水排離路基范圍，如圖2 1 4 。 圖2 - 1 鄭瀑高速公路排水溝與蒸發(fā)池 對(duì)鄭漯高速公路排水系統(tǒng)進(jìn)行分析后可知，鄭漯高速公路全段路面、路基、邊坡等 表面排水設(shè)施較完整，但部分排水設(shè)施布設(shè)不合理，同時(shí)缺少定期的維護(hù)。缺少路面內(nèi) 部排水系統(tǒng)和地下排水系統(tǒng)。 2 4 非飽和滲流參數(shù)確定方法 由于路基路面材料同土有類(lèi)似的結(jié)構(gòu)組成，所以本文應(yīng)用土體滲流理論分析路基路 面滲流規(guī)律，通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究水分在路基路面內(nèi)部的滲流過(guò)程，為排水設(shè)施的 長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文 布設(shè)提供依據(jù)。 2 4 1 土水特征曲線(xiàn) 基質(zhì)吸力與含水量之間的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)為土水特征曲線(xiàn)( s o i lw a t e rc h a r a c t e r i s t i c c u r v e ) ，它反映了土體的持水能力【2 7 1 。土水特征曲線(xiàn)在非飽和土力學(xué)的應(yīng)用中發(fā)揮著重 要作用，根據(jù)土水特征曲線(xiàn)，可以推導(dǎo)出非飽和土的抗剪強(qiáng)度、體應(yīng)變、滲透系數(shù)等， 甚至可以確定地下水面以上水分的分布【2 引。圖2 1 5 為典型的土水特征曲線(xiàn)，橫軸為基 質(zhì)吸力，縱軸為體積含水量。 6 0 5 0 4 0 體 積 客3 0 水 量 2 0 l o o 8 j l 進(jìn)氣眄殳力值 ， 、； 廬 1 、 l 殘余： 氣馕 爭(zhēng)l | 、 、千化曲線(xiàn) 濕化l 、 冬 矗余含水霉 n 釜 b 一土 ，1ll ui u u】0 0 01 0 0 0 01 0 0 u u u 基質(zhì)吸力( k p a ) 圖2 1 5 典型水土特征曲線(xiàn) 體積含水量計(jì)算如式2 - 1 所示： p ：丘( 2 1 ) t 式中：0 體積含水量； 圪孔隙水體積； y 總體積 影響土水特征曲線(xiàn)的因素有很多種如：土的種類(lèi)、土的結(jié)構(gòu)、土中水分變化過(guò)程、 溫度等，目前確定土水特征曲線(xiàn)的方法主要是通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定，將試驗(yàn)測(cè)定的結(jié)果代入經(jīng) 驗(yàn)公式中繪制土水特征曲線(xiàn)，目前常用的經(jīng)驗(yàn)公式介紹如下。 第二章工程概況及滲流參數(shù)確定方法 1 ) v a ng e n u c h t e n 模型【2 9 l v a ng e n u c h t e n 模型是通過(guò)大量的試驗(yàn)研究而建立的經(jīng)驗(yàn)公式，其具體的表達(dá)形式 ( m = 1 - 1 n ) 利用v a ng e n u c h t e n 模型模擬滲流時(shí)所需要的參數(shù)為： k z z l ( h h ：豎向滲透系數(shù)橫向滲透系數(shù)； s a t u r a t e dk h h ：飽和狀態(tài)下的橫向滲透系數(shù)； h 1 0 6 k p a ) l n 瞳+ ( 旦) 療】 肼 p 。體積含水量； p ，飽和含水量； l f ，基質(zhì)吸力； 口，玎，m 為回歸參數(shù)，計(jì)算式如下： 口= y f ； l f ，。土水曲線(xiàn)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的吸力值5 s 曲線(xiàn)兩拐點(diǎn)間的切線(xiàn)斜率； ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) c 修正函數(shù)，計(jì)算式如下： c=1一礴ln(1+1000000)hail+py- ( 2 - 10 ) c ，常數(shù)，通常取值為15 0 0 k p a 。 除以上兩種常見(jiàn)的模型外，還有衄a 和p a r i s 模型、h a y e rk a m p 模型、p a n i c o n i 模 型、s r i v a s t a v ay e h 模型等。 2 4 2 非飽和土的傳導(dǎo)系數(shù) 水分在非飽和土中滲流時(shí)，其滲透系數(shù)并非常數(shù)，而是非飽和土的含水量或基質(zhì)吸 力的函數(shù)，影響非飽和土中滲透系數(shù)的主要有兩個(gè)因素，即土體的孔隙率和飽和度。在 1 9 、_ 、 b b 1 叫 ，l h n - 廠(chǎng)一 ， 7 h 一“畔茅 蘭蘭苧生- 三墅墅墅墨墾望亟至鍪墮塞查婆 實(shí)際計(jì)算時(shí)，往往把滲透系數(shù)k 表達(dá)為飽和度s 或體積含水量p 的單值函數(shù)f 2 7 1 。 1 暑- o i 1 z - 0 2 1 e - 0 3 1 e - 0 4 簍 1 e 嘶 鬟 - o 叼 喜1 e 螂v、 薹1 1 e 0 7 蟒 譬i 肭8 薯 1 i 巴- o p 1 e i o 1 e l l 、 l 、 、 。 ； ； 飛、 、 | ， 、 i ；x l ； l l 、 1 1 0 1 0 0i 0 0 0 1 0 0 0 0 吸力水安( a i m ) 圖2 - 1 6 兩種不同孔隙率土的導(dǎo)水特性圖 常見(jiàn)的兩種計(jì)算模型如下所示： 1 ) v a ng e n u c h t e n 模型2 9 】 v r 觚g e n u c h t e n 通過(guò)對(duì)m u a l e m 水力傳導(dǎo)系數(shù)模型的研究，提出了新的模型，方程如 2 - 11 所示： k 。= k , x 1 ( 口9 抽一l ) ( 1 + ( 口妒一”一卅】2 【( 1 + 口i f ，) 一】詈( 2 1 1 ) 式中，口、力、加為回歸參數(shù)，力- - - i ( 1 一冊(cè)) ，其它字母含義同前。 2 ) f r e d l u n d 和x i n g 模型3 0 j ： 利用體積含水量函數(shù)來(lái)推導(dǎo)傳導(dǎo)系數(shù)函數(shù)，其原理是對(duì)體積含水量函數(shù)進(jìn)行積分， 方程式如下： 七w = 七。驀蘭摯c p p ，莖n ；華c e f ， c 2 - 2 ， 式中：七。滲透系數(shù)( m s e c ) ： t 飽和狀態(tài)下滲透系數(shù)( m s e c ) p 體積含水量： y 負(fù)孔隙水壓對(duì)數(shù)坐標(biāo)下虛數(shù)： 長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文 f 時(shí)間不長(zhǎng)； l f ，基質(zhì)吸力； p 體積含水量的一階導(dǎo)數(shù)。 2 5 本章小結(jié) 1 、針對(duì)京珠高速鄭州至漯河段改擴(kuò)建工程的實(shí)際情況，分析了鄭漯高速公路現(xiàn)有的 排水設(shè)施的組成和不合理性。 2 、介紹數(shù)值模擬中涉及到的土水特征曲線(xiàn)和非飽和土傳導(dǎo)系數(shù)的概念和計(jì)算方法， 為后面方案比選和數(shù)值模擬奠定基礎(chǔ)。 2 l 第三章改擴(kuò)建工程中央分隔帶排水方案研究 第三章改擴(kuò)建工程中央分隔帶排水方案研究 中央分隔帶是高速公路和一級(jí)公路的重要組成部分，其設(shè)置目的是為了誘導(dǎo)視線(xiàn)、 防眩、綠化、埋設(shè)管線(xiàn)等。雖然中央分隔帶能在很多方面發(fā)揮作用的，但卻為水進(jìn)入道 路結(jié)構(gòu)內(nèi)部提供了便利，給道路排水帶來(lái)很多困難。 降水通過(guò)中央分隔帶下滲，一部分下滲水在與路面結(jié)構(gòu)各層交界面處滲入路面結(jié)構(gòu) 層內(nèi)，另一部分下滲水則滲入到基層和路基結(jié)構(gòu)中。在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下，進(jìn)入路 面結(jié)構(gòu)中的水分使集料表面的瀝青剝離，發(fā)生松散、坑槽等病害；進(jìn)入路基結(jié)構(gòu)的水分 使路基強(qiáng)度和抗變形能力降低，進(jìn)一步發(fā)展將使水泥混凝土板斷裂或?yàn)r青混凝土路面產(chǎn) 生裂縫，路面水將沿裂縫滲入路面基層直至路基，加快路基穩(wěn)定性的下降。綜上所述， 中央分隔帶應(yīng)設(shè)置完善的排水設(shè)施，阻止降入中央分隔帶的水分下滲，保護(hù)路基不受由 于中央分隔帶下滲水所引起的破壞，因此排水設(shè)計(jì)是中央分隔帶設(shè)計(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容。 在改擴(kuò)建工程中布設(shè)合理的中央分隔帶排水設(shè)施，有利于道路結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期使用性能。 3 1 常見(jiàn)的中央分隔帶排水方法 中央分隔帶的排水方法有很多種，目前常用的方法有：中央分隔帶鋪面、中央分隔 帶內(nèi)設(shè)排水設(shè)施、鋸槽防滲墻、碎石排水墻、結(jié)合滲水井中央分隔帶內(nèi)設(shè)雙向向內(nèi)橫坡 壟邕 可o 3 1 1 中央分隔帶鋪面 預(yù)制混凝二l 二塊 2 1 01 5 一1 4 - 底鏨層筮 機(jī)動(dòng)車(chē)懣 嘶壤 基層1 底鏨層 u l 填在灰處氍+ 士 圖3 - 1 中央分隔帶鋪面示意圖 土耩 m 民 5 ， =。一酆1 象1一要?jiǎng)右慌豁?長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文 中央分隔帶鋪面是將分隔帶封閉，不讓水分進(jìn)入的一種方式。常見(jiàn)的鋪面方法有水 泥混凝土預(yù)制塊封閉、設(shè)置瀝青石屑分層等。 中央分隔帶鋪面的優(yōu)點(diǎn)為：投資較小、施工方便；一定時(shí)期內(nèi)能有效阻隔地表水下 滲。缺點(diǎn)為：易產(chǎn)生縫隙使地表水下滲、水滲入后無(wú)法排出；對(duì)于改擴(kuò)建道路，中央分 隔帶原有的水分無(wú)法排出；增加了路面表面排水量，使路面水膜加厚，不利于行車(chē)安全； 景觀(guān)效果差。為了克服封閉中央分隔帶缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)有個(gè)別工程在中央分隔帶上澆注專(zhuān)門(mén) 的綠化平臺(tái)。 3 1 2 分隔帶內(nèi)設(shè)置地下排水設(shè)施 中央分隔帶表面未采用表面排水措施時(shí)，應(yīng)在分