一种基于毛细隔离原理的公路防渗排水结构及其建造方法

1.本发明涉及公路边坡防水技术领域，具体地说是一种基于毛细隔离原理的公路防渗排水结构及其建造方法。


背景技术：

2.中国的交通基础建设作为世界第一，很大的促进了高铁、公路、水利等行业的蓬勃发展，但对于我国以热带亚热带季风气候为主的南方地区来说，夏季高温多雨、降雨影响范围较大、局地雨强大的降雨特点对公路的排水系统形成了较大的考验。
3.公路的稳定性主要依靠承重路基层，要保证承重路基层的稳定承重，就需要确保承重路基层的非饱和水状态。非饱和水状态的存在可以提供一定的负孔隙水压力，从而引起土体内部产生基质吸力，对路基层的承重起到正向的作用。然而，在经历较大的降雨之后，对于一些排水不足或是渗透性较大的公路来说，随着雨水向承重路基层渗入，路基层会由非饱和水状态变为饱和状态，土体内部的孔隙水压力不断变大，基质吸力减小，路基的强度和承载力下降。在遇到较大的车流量所引起的较大的车辆荷载时，路基就会因承重能力不足而发生破坏，严重威胁人们的生命财产安全。因此，在降雨量较大的地区，如何保持承重路基层的非饱和水状态不会破坏成为较为关键的问题。
4.保持承重路基层在服役期内始终处于非饱和状态主要从两方面入手：增大路面的排水量以及防止多余的水分向路基层入渗。传统的排水以及防渗方法主要为布置排水管、排水板、放置防渗隔离层等等。但是这些传统方式仍然存在一些方面的不足，如操作复杂、防渗效果不佳、成本过高等等。因此，寻求一种施工灵活方便、排水防渗效果好的组合结构显得尤为重要。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于毛细隔离原理的公路防渗排水结构及其建造方法，本发明基于毛细隔离原理，设计出了一种公路防渗排水组合结构。该复合结构通过将细骨料铺设在粗骨料上，并在两者之间铺设防渗土工膜，可以实现最大程度的防渗排水，从而使路基层在服役期间始终处于非饱和水状态，保持承重结构层的稳定性。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于毛细隔离原理的公路防渗排水结构，从底部至顶部顺次布设承重结构层、垫层、基层、毛细隔离带和路面层。
7.毛细隔离带包括细骨料，粗骨料以及两布一膜；路面层包括沥青混凝土层和碎石混凝土层。
8.作为本发明进一步优选地，还包括路缘石和路肩，可使在远离行车道的位置排水，降低行车危险，同时可以保护行车道的稳定。
9.作为本发明进一步优选地，沥青混凝土层布设在碎石混凝土层的顶部并覆盖住碎石混凝土层，从而组成路面层，路面层的横拱坡度为2％～4％，以实现雨水向两侧排出。
10.作为本发明进一步优选地，毛细隔离带从顶部至底部分别为第一层细骨料、土工布、第二层细骨料、粗骨料、第三层细骨料、两布一膜和第四层细骨料。
11.第一层细骨料厚度大于30cm，第一层细骨料用于横向排出大部分的雨水；第二层细骨料、第三层细骨料和第四层细骨料厚度为1～10cm。
12.作为本发明进一步优选地，粗骨料层使用建筑垃圾制成，如废弃混凝土、废弃砖石。
13.粗骨料的粒径范围d为4.75～20mm；粗骨料层在体积含水率θw趋近0时，其渗透系数kw≤10-10
m/s。
14.作为本发明进一步优选地，细骨料的粒径范围为0.05～1mm，饱和时的渗透系数大于10-5
m/s。
15.一种基于毛细隔离原理的公路防渗排水结构的建造方法，包括以下步骤：
16.步骤1、在公路建造前参照规范规定，选取符合防水要求的两布一膜；
17.步骤2、按照底部至顶部顺序布设各层结构的填筑；
18.垫层材料选取优质的沙砾和碎石，厚度在10～30cm；
19.垫层顶部为基层，基层可设置2层或3层，厚度为30～80cm；
20.基层顶部为毛细隔离带，毛细隔离带从顶部至底部依次为30cm细骨料，土工织布，5cm细骨料，10cm厚粗骨料，5cm细骨料，两布一膜，10cm细骨料；每层之间进行压实处理，上部铺设10cm厚碎石混凝土和7cm厚沥青混凝土，完成公路的施工；
21.步骤3、当雨量较大时，雨水会向路面层两侧流动排出；部分渗入路面层的雨水会经由细骨料临时吸收储存，之后会向两侧排出，从细骨料层渗透的多余的水份会被粗骨料所吸附，从而实现公路结构层的高效防渗和排水。
22.本发明具有如下有益效果：
23.1.本发明基于毛细隔离原理，设计出了一种公路防渗排水组合结构，该复合结构通过将细骨料铺设在粗骨料上，并在两者之间铺设防渗土工膜，可以实现最大程度的防渗排水，从而使路基层在服役期间始终处于非饱和水状态，保持承重结构层的稳定性。
24.2.本发明中所选择的粗骨料可以使用建筑拆除过程中所产生的废弃垃圾，实现了废物利用，绿色环保，有利于资源的重复高效利用和环境的可持续发展。
25.3.在施工工艺方面，本发明所采用的复合结构在施工方面灵活简单，只需将毛细隔离带置于面层和基层之间即可实现排水和防渗的需求。且较为容易施工和整修。
附图说明
26.图1是本发明基于毛细隔离原理的公路防渗排水结构的结构正视图。
27.图2是本发明基于毛细隔离原理的公路防渗排水结构的毛细隔离带示意图。
28.其中有：10.承重结构层；20.垫层；30.基层；40.毛细隔离带；41.细骨料；42.粗骨料；43.两布一膜；44.土工布；50.路面层；51.沥青混凝土层；52.碎石混凝土层；60.路缘石；70.路肩。
具体实施方式
29.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方
位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
30.本发明所基于的原理是毛细隔离原理，又称毛细屏蔽。当土壤处于低饱和度状态(相对干燥)粗骨料的渗透系数远远小于细骨料的渗透系数。将细骨料放置在粗骨料上方，低饱和度的粗骨料将形成一套天然的止水帷幕，阻止雨水对土体的渗入。另一方面，在细骨料层布设排水系统，将存储雨水在设计时间内排出细骨料层。毛细屏障系统优势：因细骨料层空隙率相对比较高，细骨料层可作为临时的雨水存储仓，粗骨料因低渗透系数，会隔断雨水对边坡土体的渗入。另一方面，在降雨结束后，细骨料层存储雨水会逐步排出，为后续降雨提供新的临时存储空间。
31.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
32.如图1所示，一种基于毛细隔离原理的公路防渗排水结构，其特征在于：从底部至顶部顺次布设承重结构层10、垫层20、基层30、毛细隔离带40、路面层50、路缘石60和路肩70。
33.路面层50包括沥青混凝土层51和碎石混凝土层52。第一层为沥青混凝土层51，可保持路面的平整，光滑；第二层为碎石混凝土层52，可供填筑路面层高度。沥青混凝土层51布设在碎石混凝土层52的顶部并覆盖住碎石混凝土层52，从而组成路面层50。为了发挥毛细屏障的最大效率，路面层50的横拱坡度为2％～4％。
34.毛细隔离带40位于公路的路面层50和基层30之间，从而使雨水在进入基层30之前就被排出，毛细隔离带40下部还有基层30和垫层20，确保水分不会进入承重结构层10。
35.如图2所示，毛细隔离带40从顶部至底部分别为第一层细骨料41、土工布44、第二层细骨料41、粗骨料42、第三层细骨料41、两布一膜43和第四层细骨料41。
36.第一层细骨料41厚度大于30cm，细骨料41的粒径范围为0.05～1mm，饱和时的渗透系数大于10-5
m/s，第一层细骨料41用于横向排出大部分的雨水。
37.第二层细骨料41、第三层细骨料41和第四层细骨料41厚度为1～10cm，其作用为保护土工布44和两布一膜43两侧不被碎石刺破或扎穿。
38.粗骨料42层使用建筑垃圾制成，如废弃混凝土、废弃砖石；粗骨料42的粒径范围d为4.75～20mm；粗骨料42在体积含水率θw趋近0时，其渗透系数kw≤10-10
m/s。
39.雨水落到公路地面时，先经过细骨料41以及土工布44向两侧排水沟排出大部分水分，多余的水分经过土工布44渗入后，进入粗骨料层42，被粗骨料42的基质吸力吸收，最下部的两布一膜层43可保证没有多余的水分渗入公路下部结构。
40.通过对比粗骨料42和细骨料41的土水特征曲线可知，粒径范围在4.75～20mm的粗骨料在干燥时的基质吸力相比于细骨料来说更大，可以防止大量的水分被渗透。
41.基于上述装置，有一种基于毛细隔离原理的公路防渗排水结构的建造方法，可以最大程度的实现公路的防渗排水，使公路的承重路基在服役期间的承重性能保持稳定。
42.建造方法具体包括以下步骤：
43.步骤1、在公路建造前参照规范规定，选取符合防水要求的两布一膜43；
44.步骤2、按照底部至顶部顺序布设各层结构的填筑；
45.垫层20材料选取优质的沙砾和碎石，厚度在10～30cm；
46.垫层20顶部为基层30，基层30可设置2层或3层，厚度为30～80cm；
47.基层30顶部为毛细隔离带40，毛细隔离带40从顶部至底部依次为30cm细骨料41，土工织布44，5cm细骨料41，10cm厚粗骨料42，5cm细骨料41，两布一膜43，10cm细骨料41；每层之间进行压实处理，上部铺设10cm厚碎石混凝土52和7cm厚沥青混凝土51，完成公路的施工；
48.步骤3、当雨量较大时，雨水会向路面层50两侧流动排出；部分渗入路面层50的雨水会经由第一层细骨料41临时吸收储存，之后被粗骨料42所吸附，从而实现公路结构层的高效防渗和排水。
49.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。