谈高速公路工程路面垫层的施工技术

郝 少 军

(山西省晋中路桥建设集团有限公司，山西 晋中 030600)

1 概述

伴随省内高速公路路网的不断完善和升级，高速公路的通行能力和效率得到长足发展；在省内既有及新开工建设的高速公路中，几乎所有的高速公路均采用了沥青路面结构形式，沥青路面凭借良好的行车平顺性、较高的承载能力、施工周期短、后期养护维修成本低等优势，已经成为当前省内高速公路路面施工中的最优选择。在省内的高速公路沥青路面施工过程中，“强路基，薄路面”的设计及施工思维对省内高速公路施工影响深远，在路基施工过程中，由于排水施工不彻底，路基中的游离水在外荷载的作用下容易向上渗透，最终影响路面及路基结构的承载能力。高速公路沥青路面垫层结构对于防止路面水分渗透、分散反射应力、提升路面、路基结构承载强度、刚度及稳定性具有重要作用。

总结近几年的高速公路路基、路面施工经验可知，省内广泛使用的半刚性半柔性沥青路面的承载能力在外荷载和恶劣环境的耦合作用下将出现承载能力逐步下降的基本趋势。路基路面结构在游离水的影响下，将导致路基结构层和沥青结构层的抗压强度值下降，且下降速率随着服役时间的推移而不断增加，归根结底，水损坏是省内路基路面结构破坏的主因之一。为了提升路基路面结构的承载能力和耐久性，在路面层底部加设垫层结构，借助垫层的疏解功能，将路面结构层中的多余水分借助汽水平衡原理排出结构层外，从而起到延缓使用寿命的目的。

2 高速公路路面垫层结构分析

2.1 高速公路路面垫层结构功能分析

高速公路沥青路面垫层结构形式布设在路面基层和路基上层之间，属于典型的过渡结构层，垫层的基本功能是改善和缓解路基结构的温湿度状况，确保沥青路面面层及基层的承载能力、变形刚度、荷载稳定性等指标不会受到游离水冻胀作用的影响。垫层结构还能够及时疏散路面基层及面层传导来的车辆荷载，从而降低路基土体及沥青混合料的变形值。综合分析高速公路沥青路面垫层结构，其功能作用可以归纳为以下几点：第一，辅助提升路基结构的承载能力，实现路基和路面基层之间的平缓过渡；第二，借助汽水平衡原理，垫层能够及时平衡渗透至路面基层及垫层中的游离水；第三，高速公路垫层结构的碎石粒径值较大，进而导致垫层结构的自然孔隙率较大，不容易引发毛细效应，可以有效防止在冬季环境下的沥青路面冻胀破坏；第四，垫层结构可以显著抑制来自路基层的反射裂缝，且垫层结构在荷载作用下具有天然地裂缝自愈合能力，路基开裂后，垫层碎石能够在外荷载作用下实现颗粒重分布，进而实现应力重分布，实现路基开裂裂缝的自愈合。

2.2 高速公路沥青路面垫层对整体结构的影响

高速公路沥青路面在外荷载作用下容易出现弯沉变形，导致半刚性沥青路面的基层底部出现较大的应力，在拉应力作用下，容易导致沥青路面结构出现应力疲劳破坏。经理论模型计算可知，半刚性沥青路面基层底部的拉应力值与沥青基层厚度、面层弹性模量等参数联系紧密，因此，文章选取车辆荷载中心位置作为计算基准。表1为垫层结构不同弹性模量条件下的路面基层底部拉应力理论值。

表1 垫层不同弹性模量条件下的路面基层底部拉应力理论值

分析表1可知，高速公路沥青路面垫层结构的弹性模量值对于路面基层底部的拉应力效应影响显著；此外，高速公路沥青路面垫层结构的弹性模量值与高速公路路面基层底部的拉应力值呈明显的负相关关系。

对于高速公路沥青路面而言，在荷载作用下的弯沉也是沥青路面的典型病害之一，沥青路面的竖向变形是表征路面综合承载能力及运营状态的基本指标之一，路面竖向变形是路面层、路基层变形的几何叠加结果，是路面路基层变形的集中体现。依照国内现行的设计施工规范要求，在标准轴载作用下，沥青路面表面的轮隙中心位置的弯沉指标是路面抗变形能力的重要参照。表2为沥青路面垫层结构中，不同弹性模量垫层材料对应的路面弯沉值统计结果。

表2 不同弹性模量垫层材料对应的路面弯沉值统计结果

分析表2可知，高速公路沥青路面垫层结构的弹性模量提升程度对沥青路面的弯沉影响极其显著，高速公路沥青路面垫层结构弹性模量提升的前提下，可以显著降低沥青路面的弯沉值。

高速公路沥青路面结构体系中的垫层结构处于路基结构层和路面结构层的交界处，在具体施工过程中，垫层结构视为路基结构层的一部分。但是，在路基及路面检测验收过程中，选用的路基土体的弹性模量值为原值，即：40 MPa。加设垫层后，路基路面系统的整体弹性模量值明显高于原始的路基模量值，在该条件下，原有的公路交竣工验收标准则略微偏低，继续依照原有的标准进行验收，将无法满足施工质量控制的目的。表3为路基弹性模量差异对路面弯沉的影响统计结果。

表3 路基弹性模量差异对路面弯沉的影响统计结果

分析表3可知，路基结构层的弹性模量值增加，路面表面的弯沉值相应降低，且降低速率不断减小，且在路基结构的弹性模量值处于低位时，材料弹性模量值对沥青路面弯沉的影响反而较大。

3 高速公路路面垫层施工技术及工程应用分析

3.1 项目概况

本文选取省内南部新建高速项目为研究案例，该项目地处省内西南部地区，地面高程值介于150 m～200 m范围内，其中，有50%以上路段地处山区及沿河位置，项目地处温带大陆性季风气候，四季分明，夏秋季多雨，由于沿河和山区工况环境影响，标段内多个地区地质及渗水灾害频发。

3.2 垫层施工工艺及关键技术应用分析

在省内高速公路沥青路面垫层施工实践中，常用的施工工艺有两种，即：平地机联合推土机施工，该施工工艺成本较低，但施工质量难以控制；另一种是借助集料摊铺设备施工，集料拌和采用拌合机完成，该施工工艺自动化程度高，施工成本较高，使用质量控制能力强。为了保证沥青路面垫层结构的施工质量和质量控制能力，拟采用第二种施工工艺完成。

合理级配碎石质量直接决定了碎石垫层的施工质量，为了保证级配碎石的级配合理性，拟选用厂拌法，提高级配碎石拌和效率；在后期级配碎石的运输、摊铺及压实过程中，级配碎石的天然含水率将出现不同程度的损失，为了保证级配碎石的最佳含水率，在厂拌阶段的加水量应略大于最佳含水率值。级配碎石摊铺施工时，建议使用专业的摊铺机，可以提高摊铺效率，有利于摊铺质量控制，工程实践表明，摊铺机摊铺后的垫层结构，级配碎石离析不明显、水分散失小，且摊铺厚度、表面平整度等指标均满足施工规范要求。图1为摊铺施工现场情况。

垫层压实施工是整个施工过程的核心环节，垫层结构的强度形成主要依赖于垫层碎石压实，在压实荷载作用下，导致碎石颗粒之间相互挤压嵌入，借助压实设备的振动效应，能够使细集料碎石充分填充、嵌入到粗集料孔隙中，最终形成垫层结构承载强度。图2为压实施工现场情况。

垫层压实施工应遵循“先轻压、后重压，先慢速、后快速”的基本原则，压实施工分为初压、复压及终压三个环节，初压和终压均为静压实，且终压推进速率略快于初压，复压采用动压模式，推进速率与终压一致，复压先低频压实2遍后，再切换至高频压实3遍。

4 结语

高速公路沥青路面垫层结构具备防渗性能良好、综合承载能力高、刚度大、稳定性好等诸多优势，能够显著提升沥青路面及路基结构体系的整体性和沥青路面的服役时限；文章以省内高速公路沥青路面垫层施工为研究案例，详细分析了垫层的结构特性及影响因素，并对施工工艺进行了具体分析；经项目实践研究论证了垫层施工的可行性。