城市透水道路垫层碎石集料渗透性试验研究

摘要

碎石是垫层骨料中最常用的材料。透水路面垫层用骨料不仅要满足基本力学性能的要求，还要保证渗透性和结构稳定性。分析了极端降雨条件下的渗透性和渗透过程中颗粒的质量损失，研究了碎石骨料的稳定性，研究了碎石骨料在工程应用中的最佳级配和压实水平。结果表明:(1)渗透过程包括两个阶段，渗透速度的变化主要发生在第一阶段;不同级配样品在不同压实程度下的渗透速度在数量级上呈逐步变化。(2)渗透率的变化与流量的变化相吻合，这很可能是由于流量的突然变化改变了样品的渗透率。级配、压实以及装药过程中碎石中颗粒排列的随机性等因素都影响着试样的渗透性。(3)渗透过程中，质量损失随级配的增大而减小。级配和压实对颗粒质量损失有较大影响。因此，要保证透水路面的结构稳定性，就必须对碎石骨料的级配和压实进行仔细的选择。 It is recommended to use the crushed stone sample with a gradation ofn= 0.7，垫层骨料压实水平不大于20 mm。

1.介绍

目前，我国大部分城市道路采用不透水路面。不透水路面的缺点有:(1)由于缺乏土壤和植被的渗透性，破坏了水的自然循环，阻止降水补充地下水。(2)它释放了大量吸收的太阳热量，阻碍了空气和地面之间的热量和水的交换，加剧了城市地区的“热岛”效应。(3)容易引起水的积聚，最终导致城市洪水[1- - - - - -3.］．为了解决这些问题，德国在1960年率先建造了多孔沥青路面。20世纪80年代以来，在全球范围内，不透水路面越来越多地被透水沥青、透水瓦、卵石样路面等所取代，以提高透水性，使雨水能迅速渗入土壤，减少水土流失，保持水源，改善区域生态环境[3.- - - - - -5］．

在透水道路的铺装层和垫层上进行了广泛的工程。渡边s [1研究了日本横滨某地区透水路面的径流控制。Schluter和Jeffries [2]研究了透水路面填充物孔隙度对停车场出口水流的影响，有助于减少峰值径流。Benedetto [3.]在机场使用透水路面，以促进渗水及纾缓因降雨而造成的积水。通过对透水混凝土路面和砖路面长期透水性的实地研究，Borgwardt和Chen [4]发现这些路面的渗透性在使用数年后下降了几个数量级，而填料颗粒的大小决定了渗透性。Beeldens等[5]通过比利时新建透水路面工程的监测数据和使用近15年的透水路面试验数据，对比利时各类透水路面进行了概述。实测数据表明，这些道路具有良好的性能和持久的渗透性。他们对渗透性数据进行了比较和分析，调查了渗透性道路的使用对城市可持续排水管理的影响，并讨论了通过立法促进渗透性道路的应用。Wang等[6]提出使用透水路面，使雨水渗入土壤，保存地下水，调节城市生态环境。Wang等[7，8研究了城市透水路面与城市生态的关系。Wu et al. [9]利用自制的模拟降雨系统，实验研究了典型的垫层材料，如不透水砖、水泥地面、透水砖和草。Ding等[10]通过对原材料和制造工艺的广泛试验，研究了透水路面材料的最佳配合比和生产工艺。张(11]采用原位渗透仪、单环渗透仪、双环渗透仪等仪器测试可渗透可循环小球在恒、变水头下的渗透性能，比较不同渗透系数测试方法的适用性。Zhang等[12]发现混凝土透水砖的渗透性随使用寿命的延长而降低。透水砖在前两年一般表现出良好的透水效果，但两年后透水性能明显减弱。侯等人[13，14]研究了不同垫层结构的透水砖路面，发现使用透水砖路面可显著减少地表径流。采用透水砖代替不透水砖时，地表径流系数始终较低，渗透取决于透水砖的垫层结构。孟等[15通过对上海市有代表性的透水路面的实际渗透情况的调查，总结了透水路面的应用现状，分析了透水路面渗透的关键因素。相关工作(12- - - - - -16表明透水路面垫层厚度直接影响透水性，因此对垫层渗透性的研究十分必要。

碎石是垫层骨料中最常用的材料。由于极端降雨[17，18]和连续的雨水侵蚀，会发生垫层骨料中颗粒物质的迁移和流失，破坏垫层的结构稳定性。

本文以城市透水道路垫层碎石作为骨料，研究了雨水侵蚀下碎石的渗透性和颗粒物质的损失，并对垫层碎石级配的选择和压实进行了研究。具体来说，我们使用连续级配的混合料模拟层理，在渗透实验中测试了混合料的入渗速度、渗透性以及材料的迁移。然后分析了级配和压实对层理颗粒物质渗透性和质量损失的影响。

2.材料和方法

2．1．样品制备

由于大颗粒之间的空隙可以被小颗粒所填满，道路的垫层通常使用不同粒径的碎石来铺设。但填充颗粒应小于间隙距离，以避免大颗粒与小颗粒之间的干涉。因此，不同粒径的颗粒应按一定的比例进行混合[19］．本次试验将碎石分为0-5 mm、5-10 mm、10-15 mm、15-20 mm、20-25 mm 5种不同粒径，采用Talbot连续分级[20.采用: 在哪里p（d)为大小不大于的粒子的百分比d_我,d_米为最大粒径。每种大小粒子的质量是 在哪里米_T是样品的总质量，和d_我和d_我+1是相邻的颗粒尺寸。

王等人指出，当塔尔博特幂指数n为0.1和0.2时，细颗粒含量相对较高，容易造成不稳定[21，22］．因此，本试验考虑n取值为0.4、0.5、0.6和0.7。试验中每个样品的质量为2kg，表中给出了不同粒径颗粒的质量1．评估了4种不同的压实水平(10 mm、20 mm、30 mm和40 mm)，以分析压实水平随时间变化对颗粒损失和渗透性的影响。

2．2.渗透测试系统

数字1说明自制的透气性测试系统[23]，用于试验碎石骨料的渗透性。该系统由轴向载荷位移控制模块、渗透模块和数据采集分析模块组成。增加了粒子恢复模块来测量质量损失。

轴向载荷和位移控制模块包括材料试验机、单作用液压缸、变量柱塞泵等。单作用液压缸的最大横移为50 mm，变量柱塞泵的额定压力为31.5 MPa，允许误差为±4%。

渗透模块包括渗透仪、管道、定排量柱塞泵、双作用液压缸等。定量柱塞泵可提供的最大压力约为8 MPa，其工作压力为7 MPa，最大排量约为600 L /小时。双作用液压缸内径为220 mm，活塞内径为160 mm，最大横移量为500 mm，最大容积为20 L。

数据采集与分析模块包括位移传感器、流量传感器、压力传感器、数据采集器、PC机等。颗粒回收模块包括振动筛、滤布、烘箱、电子秤等。滤网为300目细网，相应收集的颗粒尺寸可达48微米。压力传感器的测量导线为16mpa，测量精度为2kpa。

2．3.测试程序

数字2显示测试过程。样品充电后测量样品的初始高度。由于人工装药孔隙度变化较大，样品装入渗透率仪后，先在0.02 MPa、1 mm/min的条件下进行初步压缩，不破碎颗粒。然后根据测试机的位移在这一点上测量样品的实际高度。然后注入水使样品饱和，并开始渗透测试。测试过程中实时记录压力和流量数据。由于无法实时测量，丢失的粒子是在规定的时间间隔内收集的。试验开始时颗粒质量损失较大，初始设置颗粒收集间隔为2分钟。随着质量损失的减小，收集间隔逐渐增大。

3.结果和分析

摘要通过对碎石骨料的渗透试验，测量了试样中渗透过程中的水压力、流量、颗粒质量损失等数据，并对渗透速度、渗透性、颗粒损失等物理量的变化进行了计算和理性化。

3．1.渗透速度的变化

在测试过程中，流量问是实时测量的，从中渗透速度可计算如下: 在哪里一个为渗透率计的内半径(一个= 50毫米)。

渗透速度是通过试验过程中的实时流量计算得到的。数字3.结果表明，渗透过程包括快速质量损失和缓慢渗透两个阶段，渗透速度的变化主要发生在缓慢渗透阶段。在快速质量损失过程中，由于小颗粒的运移和损失，孔隙度增大，渗透速度增大。数字3.结果表明，不同样品的质量损失阶段持续时间不同，这是由于样品中可迁移的小颗粒含量不同。其中小颗粒含量最小n= 0.7样品，其质量损失期仅持续50 s。相比之下,n= 0.4,n= 0.5样品的质量损失相相对较长，因为它们的小颗粒含量较高。特别是,n= 0.5试样，初始压实20 mm，质量损失阶段持续近930 s。

表格2在不同的压实程度下，不同的级配样品的渗透速度呈逐级递增的趋势。为n= 0.4,n= 0.5时，渗透速度从10个数量级递增⁻³m/s的10次方⁻²m/s，不论压实程度。为n= 0.6样品时，渗透速度保持在10⁻²当初始压实量为10 mm时，整个试验过程的渗透速率为m/s，但在10 mm时的渗透速率较低⁻³m/s水平，初始压实度更高。为n= 0.7个样品时，初始渗透速度为10⁻²m/s水平时，初始压实量为10 ~ 30 mm，但降低到10⁻³m/s水平时，初始压实增加到40 mm。因此，初始压实水平对渗透速度有显著影响，影响试验开始时的渗透速度。

3．2．渗透率的变化

卢等人[24，25]，采用国产渗透仪分析了透水路面混合料在不同水力梯度下的流动特性。结果表明，达西定律不适用于分析透水路面材料的定向输水。随着水力梯度的增大，透水路面材料的雷诺数增加，透水路面材料中的水流由达西流过渡到非达西流。

本文采用Forchheimer方程来描述骨料渗透过程的非达西流动: 在哪里为压力梯度，μ为流体的动力粘度，k磁导率,ρ流体密度是多少β是非达西因素

渗透k和非达西系数β在方程(4)是描述碎石渗透特性的两个关键参数，可由试验采集的渗透速度和压力梯度的时间序列计算得到[26]：

数字4给出了不同压实程度下不同级配试样渗透率随时间的变化规律。所有样品的渗透率均为10⁻¹¹-10年⁻¹⁰米²在整个渗透过程中。所有样品的渗透率都在快速质量损失阶段急剧增加，且这种增加伴随着流量的突然变化。可以推测，流动的突然变化导致了试样渗透率的变化。在渗透试验的后期，渗透率仅出现轻微的波动，基本保持不变。此外，级配和压实程度也影响试样的渗透性。例如，如图所示4,n= 0.5样品渗透率最高，为2.7 × 10⁻¹⁰米²,而n= 0.7样品的渗透率不大于4.4 × 10⁻¹¹米²．压实对渗透率的影响似乎有些不规则，可能是由于样品在装置中充电时粒子排列的随机性。

在选择集料作为透水路面垫层时，需要考虑集料的渗透性。理想情况下，应选择渗透率相对较高的集料。

数字5表明不同样品的非达西因子随时间而变化。图中使用了对数形式，因为非达西因子在几个数量级上存在差异。与渗透率相反，非达西因素随着时间的推移而逐渐减少[27］．

值得注意的是，碎石骨料在渗透过程中渗透性的变化与试验过程中的颗粒损失有关。

3．3.粒子的质量损失

在渗透过程中，碎石的小颗粒被水流带走，离开渗透器[28- - - - - -31］．在给定的时间间隔内收集损失的颗粒t_我（我= 1,2,3，…)，如图所示6，称其干燥后的质量，记为米_我（我= 1, 2, 3，…)这样，总质量损失在渗透过程中可以计算。从图中可以看出6丢失颗粒的大小主要在0-2 mm之间，收集颗粒的数量随着时间的推移而逐渐减少。

数字7显示了不同级配碎石骨料的质量损失。可以发现，随着级配的增加，细颗粒含量降低。虽然水岩相互作用在渗透过程中产生了一些次生小颗粒，但质量损失仍主要来自原始小颗粒。因此，质量损失随级配的增大而减小。的n= 0.4样品的质量损失最大，约为280 gn= 0.7样品的最大质量损失为48 g，仅为对照组的17%n= 0.4示例。

对于相同级配的试样，压实强度越大，质量损失越大。例如，质量损失n= 0.6样品在40 mm压实下的质量损失是10 mm压实下质量损失的452%。相比之下，质量损失n= 0.5试样在40 mm压实下的质量损失是其在10 mm压实下质量损失的175%。这些增量的差异与样品的级配和装药过程中粒子的排列有关。可以看出，级配和压实对质量损失有显著影响。在选择透水路面垫层骨料时，确定级配和压实是保证结构稳定的关键。

数字7样品间的质量损失率不同。例如，相同压实水平为10 mm的试样，其质量损失率随级配的增大而减小。的最大质量损失率n= 0.4,n= 0.7样品分别达到8.3 g/s和0.05 g/s。前者是后者的166倍。相同级配但不同压实度的试样质量损失率也有显著差异。例如，最大质量损失率n= 0.5试样，30 mm和20 mm压实分别达到5.86 g/s和0.054 g/s，相差两个数量级。

4.讨论

根据透水道路的相关规范对所有样品的渗透性、质量损失和质量损失率进行分类，标准为2.0 × 10⁻¹¹米²， 100 g, 0.5 g/s。因此，测试样品和压实被分为三组:推荐(R)、不推荐(N)和不确定(U)。然后通过统计得出最佳级配和压实水平。

它可以从表中找到3.大多数试样的渗透性满足作为透水路面骨料的要求，但级配越小的试样在渗透过程中质量损失越大，可能会影响层理的结构稳定性。对于质量损失率小于5%的样品，如果质量损失率过高，也会发生结构失稳。因此，总的建议是使用碎石级配n= 0.7，选用碎石作为集料作为透水路面垫层，压实水平不超过20mm。需要注意的是，本研究未使用粘接剂。胶粘剂的使用会改变垫层的渗透性和颗粒损失。

5.结论

透水路面垫层骨料不仅要满足抗压强度、抗剪强度等基本力学性能要求，还要保证透水性和结构稳定性。分析了极端降雨条件下的渗透性和渗透过程中颗粒的质量损失，研究了碎石骨料的稳定性，并在工程应用中检验了碎石骨料的最佳级配和压实度。主要结论如下:（１）渗透过程包括两个阶段，第一阶段是快速质量损失，第二阶段是缓慢渗透。渗透速度的变化主要发生在第一阶段。由于可能迁移的小颗粒数量不同，不同梯度样品的快速质量损失相持续时间也不同。不同级配样品在不同压实程度下的渗透速度在数量级上呈逐步变化。（2）在整个渗透过程中，不同等级样品的渗透系数均在10左右⁻¹¹-10年⁻¹⁰米²．渗透率的变化与流量的变化是一致的，这很可能是由于流量的突然变化改变了样品的渗透率。级配、压实以及装药过程中碎石中颗粒排列的随机性等因素都影响着试样的渗透性。（3)在渗透过程中，质量损失随级配的增大而减小。相同级配试样的质量损失一般随压实强度的增大而增大。可以看出，级配和压实对颗粒质量损失影响较大。因此，要保证透水路面的结构稳定性，就必须对碎石骨料的级配和压实进行仔细的选择。（４）大多数试样作为骨料的渗透性可以满足要求，但如果试样在渗透过程中存在较大的质量损失或质量损失率，则可能危及透水路面层理结构的稳定性。建议使用级配为的碎石样品n= 0.7，垫层骨料压实水平不大于20 mm。

数据可用性

支持本研究结果的数据可根据作者的要求提供。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者感激地感谢参考文献的作者。

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