路面结构中砂砾垫层的作用

郝晓冬,李洪滔

(1.黑龙江省公路勘察设计院;2.湖北省交通规划设计院)

此次黑龙江省公路建设三年决战,要完成 2000km高速公路的建设任务,为保证公路建设质量达到最优,从前期设计开始,多次召开专家论证会,聘请国内知名专家进行方案论证、设计前期培训及确定路面结构设计原则,最新的理念是在路面结构中要考虑全线设置砂砾垫层。

路面结构中砂砾垫层的设置主要起防止路面冻胀、隔离路基毛细水上升的作用,根据路面结构厚度是否满足防冻要求、路基填土高度,不同的水文、温差、土质条件而确定。以往黑龙江省路面结构中砂砾垫层的设置一般只占 30%左右。

通过总结公路建设及运营期的使用状况,分析公路使用寿命较长的路段,其路面结构中都设有柔性基层或垫层,砂砾垫层能够起到缓冲差异沉降、扩散弯沉能量、耗散振动能量、增强排水功能,隔热隔冷防冻等作用,具有越压越密实,长期使用过程中模量越来越高的优点。

1 路床上设置砂砾垫层的功能与作用

(1)提高路基强度、长期承载力及其承载能力分布均匀性。分析早期修建的哈同公路大修时对旧路面的调查资料,从弯沉检测及雷达检测报告看,沥青混凝土路面路段受双侧不对称轴载数量的影响,路面右幅普遍比左幅差。部分旧路面已大面积补修过。旧水泥混凝土路面从《雷达检测路况病害调查报告》得知:全段水泥混凝土路面板脱空率为13.5%,上基层破损率为36.8%,下基层破损率为 43.5%,上下基层无破损率为 48.4%。路况调查全段断板率水泥混凝土(纵横裂缝)40%(其中:左幅为16%;右幅为24%),破板率(已碎块状,碎块缝隙有唧泥现象)7%(其中:左幅为1.4%;右幅为5.6%),折角碎边5%(其中:左幅为1%;右幅为 4%),总的破损率为 52%,按照规范路面损坏状况分级标准,远远超出了规范的要求。从《同三公路路面弯沉检测报告》,以其中K415+000～K416+000段分析,平均弯沉值20(1/100mm),说明路面结构承载能力处于优良状态。究其原因:即使施工中满足了路基设计与施工规范的全部技术要求,路基的差异沉降量与局部脱空量依然过大。从路基的压实度角度分析,当时的压实度是从下路堤的 90%到上路床的 93%,说明路基土在行车荷载及自重的作用下,仍然存在压密沉降问题,因此路基土体的工后沉降是客观存在的。设置砂砾垫层利用其具有的流动性可以很好的控制路基产生的差异沉降,即用砂砾垫层这个“活”结构层来控制路面结构破坏性的垂直变形变位,防止不均匀沉降,提高路面实际使用寿命。

(2)全线设垫层增加了路面底部的排水结构层,可以排除板体性结构层底部自动生成的冷凝水,防止冷凝水软化土路基;同时,砂砾垫层切断了土路基毛细管通道,具有缓解局部冰晶体冻胀压力,防止路面结构冻胀的作用。吉黑高速绥化至北安段设计时海伦至北安段主要利用 2004年通车的二级公路加宽改扩建为高速公路,对原有旧路调查时发现,旧路路基处于潮湿状态,路基土含水量较大,弯沉检测结果证明此路段大部分已不满足承载能力的要求,补强设计基本需要增设半刚性基层。调查路基土填料,全线均为粘性土填筑的路基,当地的粘性土天然含水量较大,均不满足路基填料的要求,虽然施工时采取翻松晾晒后掺加生石灰来降低土方的含水量,但路基完成后,土基的含水量随着生石灰的失效,又会逐步恢复到原有的含水量状态,此次对路基土取样做含水量试验也证明了这一点。特别是不良地质路段,此段路基考虑稳定性要求,路基填土高度均较高,路面结构按照干燥状态设计,没有设置砂砾垫层,由于土的毛细水上升的影响,这部分水对半刚性结构层产生了破坏,半刚性结构层已经失稳,旧路处于翻浆状态。

(3)隔离振动:在重车及超重车高速行驶的振动作用下土路基传递的过程中,有了砂砾垫层就能耗散振动作用能量,使土路基不在反复振动作用时下沉。行车道部位的土路基将不形成或少形成路床下沉槽,从而确保行车道路面结构的长期完好率。

(4)改善路面结构的热工性能:砂砾垫层是多孔结构,具有一定的隔热、隔冷作用,热量与冷量的传递速度均较为缓慢,这有助于缓解春融导致的路基软化,承载能力严重下降现象。

2 利用原有二级公路改扩建高速公路

砂砾垫层除具有上述优点外,还有以下的优点。

(1)用较厚垫层缓冲与解决新建路基本身的差异沉降,特别是新老路基相接部位的差异沉降,消除由差异沉降带来的上部板体性结构层的脱空现象及其引发的脱空碎板破坏。

(2)凡使用多年的老路基基本没有干燥状态,均为中湿、潮湿状态。特别是东北气候条件下,路基土体的湿度在春融时一定会很高。因此建议,按全新理念设计,即无干燥路基设计路面结构层,全线设置天然砂砾垫层。

此次公路三年决战的设计项目中,考虑造价及路基填筑材料等方面的影响,此次设计砂砾垫层采用如下设计原则,粘土填筑路基的路段全线设置砂砾垫层,粗颗粒材料填筑路基的路段按照路面结构状态,中湿路段设置砂砾垫层。

粗颗粒材料填筑路基,如碎石土、风化砂砾及风华碎石虽然能起到扩散弯沉能量、耗散振动能量、增强排水功能,隔热隔冷防冻等作用,但在缓解差异沉降方面要比砂砾差,此类材料压密后整体性较强,没有砂砾的圆滑流动性,建议黑龙江省以后在公路路面设计中全线设置砂砾垫层。