路面結(jié)構(gòu)中砂礫墊層的作用

郝曉冬,李洪滔

(1.黑龍江省公路勘察設(shè)計院;2.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院)

此次黑龍江省公路建設(shè)三年決戰(zhàn),要完成 2000km高速公路的建設(shè)任務(wù),為保證公路建設(shè)質(zhì)量達(dá)到最優(yōu),從前期設(shè)計開始,多次召開專家論證會,聘請國內(nèi)知名專家進(jìn)行方案論證、設(shè)計前期培訓(xùn)及確定路面結(jié)構(gòu)設(shè)計原則,最新的理念是在路面結(jié)構(gòu)中要考慮全線設(shè)置砂礫墊層。

路面結(jié)構(gòu)中砂礫墊層的設(shè)置主要起防止路面凍脹、隔離路基毛細(xì)水上升的作用,根據(jù)路面結(jié)構(gòu)厚度是否滿足防凍要求、路基填土高度,不同的水文、溫差、土質(zhì)條件而確定。以往黑龍江省路面結(jié)構(gòu)中砂礫墊層的設(shè)置一般只占 30%左右。

通過總結(jié)公路建設(shè)及運(yùn)營期的使用狀況,分析公路使用壽命較長的路段,其路面結(jié)構(gòu)中都設(shè)有柔性基層或墊層,砂礫墊層能夠起到緩沖差異沉降、擴(kuò)散彎沉能量、耗散振動能量、增強(qiáng)排水功能,隔熱隔冷防凍等作用,具有越壓越密實,長期使用過程中模量越來越高的優(yōu)點(diǎn)。

1 路床上設(shè)置砂礫墊層的功能與作用

(1)提高路基強(qiáng)度、長期承載力及其承載能力分布均勻性。分析早期修建的哈同公路大修時對舊路面的調(diào)查資料,從彎沉檢測及雷達(dá)檢測報告看,瀝青混凝土路面路段受雙側(cè)不對稱軸載數(shù)量的影響,路面右幅普遍比左幅差。部分舊路面已大面積補(bǔ)修過。舊水泥混凝土路面從《雷達(dá)檢測路況病害調(diào)查報告》得知:全段水泥混凝土路面板脫空率為13.5%,上基層破損率為36.8%,下基層破損率為 43.5%,上下基層無破損率為 48.4%。路況調(diào)查全段斷板率水泥混凝土(縱橫裂縫)40%(其中:左幅為16%;右幅為24%),破板率(已碎塊狀,碎塊縫隙有唧泥現(xiàn)象)7%(其中:左幅為1.4%;右幅為5.6%),折角碎邊5%(其中:左幅為1%;右幅為 4%),總的破損率為 52%,按照規(guī)范路面損壞狀況分級標(biāo)準(zhǔn),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)范的要求。從《同三公路路面彎沉檢測報告》,以其中K415+000～K416+000段分析,平均彎沉值20(1/100mm),說明路面結(jié)構(gòu)承載能力處于優(yōu)良狀態(tài)。究其原因:即使施工中滿足了路基設(shè)計與施工規(guī)范的全部技術(shù)要求,路基的差異沉降量與局部脫空量依然過大。從路基的壓實度角度分析,當(dāng)時的壓實度是從下路堤的 90%到上路床的 93%,說明路基土在行車荷載及自重的作用下,仍然存在壓密沉降問題,因此路基土體的工后沉降是客觀存在的。設(shè)置砂礫墊層利用其具有的流動性可以很好的控制路基產(chǎn)生的差異沉降,即用砂礫墊層這個“活”結(jié)構(gòu)層來控制路面結(jié)構(gòu)破壞性的垂直變形變位,防止不均勻沉降,提高路面實際使用壽命。

(2)全線設(shè)墊層增加了路面底部的排水結(jié)構(gòu)層,可以排除板體性結(jié)構(gòu)層底部自動生成的冷凝水,防止冷凝水軟化土路基;同時,砂礫墊層切斷了土路基毛細(xì)管通道,具有緩解局部冰晶體凍脹壓力,防止路面結(jié)構(gòu)凍脹的作用。吉黑高速綏化至北安段設(shè)計時海倫至北安段主要利用 2004年通車的二級公路加寬改擴(kuò)建為高速公路,對原有舊路調(diào)查時發(fā)現(xiàn),舊路路基處于潮濕狀態(tài),路基土含水量較大,彎沉檢測結(jié)果證明此路段大部分已不滿足承載能力的要求,補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計基本需要增設(shè)半剛性基層。調(diào)查路基土填料,全線均為粘性土填筑的路基,當(dāng)?shù)氐恼承酝撂烊缓枯^大,均不滿足路基填料的要求,雖然施工時采取翻松晾曬后摻加生石灰來降低土方的含水量,但路基完成后,土基的含水量隨著生石灰的失效,又會逐步恢復(fù)到原有的含水量狀態(tài),此次對路基土取樣做含水量試驗也證明了這一點(diǎn)。特別是不良地質(zhì)路段,此段路基考慮穩(wěn)定性要求,路基填土高度均較高,路面結(jié)構(gòu)按照干燥狀態(tài)設(shè)計,沒有設(shè)置砂礫墊層,由于土的毛細(xì)水上升的影響,這部分水對半剛性結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生了破壞,半剛性結(jié)構(gòu)層已經(jīng)失穩(wěn),舊路處于翻漿狀態(tài)。

(3)隔離振動:在重車及超重車高速行駛的振動作用下土路基傳遞的過程中,有了砂礫墊層就能耗散振動作用能量,使土路基不在反復(fù)振動作用時下沉。行車道部位的土路基將不形成或少形成路床下沉槽,從而確保行車道路面結(jié)構(gòu)的長期完好率。

(4)改善路面結(jié)構(gòu)的熱工性能:砂礫墊層是多孔結(jié)構(gòu),具有一定的隔熱、隔冷作用,熱量與冷量的傳遞速度均較為緩慢,這有助于緩解春融導(dǎo)致的路基軟化,承載能力嚴(yán)重下降現(xiàn)象。

2 利用原有二級公路改擴(kuò)建高速公路

砂礫墊層除具有上述優(yōu)點(diǎn)外,還有以下的優(yōu)點(diǎn)。

(1)用較厚墊層緩沖與解決新建路基本身的差異沉降,特別是新老路基相接部位的差異沉降,消除由差異沉降帶來的上部板體性結(jié)構(gòu)層的脫空現(xiàn)象及其引發(fā)的脫空碎板破壞。

(2)凡使用多年的老路基基本沒有干燥狀態(tài),均為中濕、潮濕狀態(tài)。特別是東北氣候條件下,路基土體的濕度在春融時一定會很高。因此建議,按全新理念設(shè)計,即無干燥路基設(shè)計路面結(jié)構(gòu)層,全線設(shè)置天然砂礫墊層。

此次公路三年決戰(zhàn)的設(shè)計項目中,考慮造價及路基填筑材料等方面的影響,此次設(shè)計砂礫墊層采用如下設(shè)計原則,粘土填筑路基的路段全線設(shè)置砂礫墊層,粗顆粒材料填筑路基的路段按照路面結(jié)構(gòu)狀態(tài),中濕路段設(shè)置砂礫墊層。

粗顆粒材料填筑路基,如碎石土、風(fēng)化砂礫及風(fēng)華碎石雖然能起到擴(kuò)散彎沉能量、耗散振動能量、增強(qiáng)排水功能,隔熱隔冷防凍等作用,但在緩解差異沉降方面要比砂礫差,此類材料壓密后整體性較強(qiáng),沒有砂礫的圓滑流動性,建議黑龍江省以后在公路路面設(shè)計中全線設(shè)置砂礫墊層。