详情

原文传递公路地下排水设计原理和方法研究

论文题名：	公路地下排水设计原理和方法研究
关键词：	一级公路;地下排水系统;设计原理;中央分隔带;排水设计;路基路面;地下水位;当量回弹模量;排水设施;水文地质特征;湿润锋;入渗;路面结构性能;低洼平坦地带;平衡含水量;吸力水;预估模型;有限元法;验证分析;研究成果
摘要：	随着公路等级越来越高，路线穿越低洼平坦地带以及复杂地形条件下的高填深挖已不可避免。而低洼平坦地带和挖方路段的水文地质条件通常比较复杂，丰富的地下水及其频繁活动对公路设施造成了极大的危害。另一方面，高速公路、一级公路在我国公路总里程中所占的比重也越来越大。考虑到行车安全、道路美学、环境保护和长期规划等因素，高速公路、一级公路一般都设有中央分隔带。对于表面绿化的中央分隔带(≥3m)，如果降落在分隔带内的雨水不能快速排出，则会向两侧迁移，影响路基路面的结构性能。因此，为了消除地下水对路基路面结构性能的不利影响，必须进行公路地下排水设计，布设地下排水系统。根据排水设施布设的位置及其具体目标的不同，公路地下排水系统可以分为3个子系统：路基地下排水系统、边坡地下排水系统和中央分隔带地下排水系统，这3个系统即自成体系又相互协调，可以最大限度地发挥地下排水设施的功效。水文地质特征是公路地下排水设计中进行水力分析的基础。在分析了地下水丰富的零填或低路堤路段、挖方路段和中央分隔带的水文地质特征之后，根据路基平衡含水量和土壤水分特征曲线的现有研究成果，结合建立的路基土回弹模量预估方程，提出了基于地下水位变化的路基顶面当量回弹模量预估模型。通过该模型可以预估路基土处于某一地下水位时路基顶面当量回弹模量，从而为公路地下排水设计和路面结构设计提供了理论依据。基于地下水变位对路基路面结构性能的影响分析，提出以地下水位作为路基地下排水的设计指标，并结合基于地下水位变化的路基顶面当量回弹模量预估模型，给出了以提高路基顶面当量回弹模量为主要目的的路基地下排水设计流程，以及由设计地下水位确定排水设施泄水量的计算步骤和方法。同时，推导了隔水底板不水平的潜水完整渗沟、沟壁进水的潜水不完整渗沟、承压完整渗沟的水力计算公式，并对水平潜水层中多个渗沟同时工作时的相互干扰问题进行了研究。采用有限元法分别分析了同等条件下10．5m和3m中央分隔带降水的入渗迁移规律，同时，采用湿润锋理论求解了同等条件下lO．5m和3m中央分隔带降水的入渗规律，并与有限元分析结果进行了验证分析，分析结果表明湿润锋理论可以用于中央分隔带地下排水设计。采用湿润锋理论分析降水入渗规律时，入渗锋面处吸力水头的取值是关键。本文基于现有相关研究成果，求得了几种典型土壤的锋面吸力水头，并通过有限元法对亚粘土的锋面吸力水头进行了验证分析。降水的入渗迁移规律分析结果表明，中央分隔带地下排水设计应采用2个指标：产流量和渗沟排水时间。针对这两个指标，给出了中央分隔带地下排水设计的步骤，并对每个步骤的设计内容进行了探讨，推导了渗沟排水时间、渗沟进水周长和产流量计算公式。公路地下排水设计中采用最多的排水设施是渗沟，因此，渗沟的使用效果是保障公路地下排水系统发挥其正常功能的关键之一。根据具体功能的不同，渗沟从结构上可以分为反滤层、填料层和排水层。为了保证渗沟具有足够的排水能力，并且在使用过程中不发生淤堵，各结构层都应具有挡土和透水两个基本功能。基于此一思路，结合国内外相关方向的现有研究成果，对反滤层、填料层和排水层的设计方法和标准进行了分析探讨。基于对公路地下排水设计原理的分析和探讨，本文在国内率先对公路地下排水设计的指标和流程进行了系统研究，并对渗沟的水力计算模型进行了完善，为公路地下排水设计提供了一套有效方法，也为公路排水规范的修订提供了依据。关键词：　　公路；路基；边坡；中央分隔带；地下排水；渗沟；土壤水分特征曲线；平衡含水量；回弹模量；地下水位；湿润锋；入渗率；产流
作者：	郑悦锋
专业：	道路与铁道工程
导师：	凌建明
授予学位：	博士
授予学位单位：	同济大学交通运输工程学院
学位年度：	2004
正文语种：	中文