談高速公路工程路面墊層的施工技術(shù)

郝 少 軍

(山西省晉中路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 晉中 030600)

1 概述

伴隨省內(nèi)高速公路路網(wǎng)的不斷完善和升級(jí)，高速公路的通行能力和效率得到長(zhǎng)足發(fā)展；在省內(nèi)既有及新開(kāi)工建設(shè)的高速公路中，幾乎所有的高速公路均采用了瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，瀝青路面憑借良好的行車(chē)平順性、較高的承載能力、施工周期短、后期養(yǎng)護(hù)維修成本低等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為當(dāng)前省內(nèi)高速公路路面施工中的最優(yōu)選擇。在省內(nèi)的高速公路瀝青路面施工過(guò)程中，“強(qiáng)路基，薄路面”的設(shè)計(jì)及施工思維對(duì)省內(nèi)高速公路施工影響深遠(yuǎn)，在路基施工過(guò)程中，由于排水施工不徹底，路基中的游離水在外荷載的作用下容易向上滲透，最終影響路面及路基結(jié)構(gòu)的承載能力。高速公路瀝青路面墊層結(jié)構(gòu)對(duì)于防止路面水分滲透、分散反射應(yīng)力、提升路面、路基結(jié)構(gòu)承載強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性具有重要作用。

總結(jié)近幾年的高速公路路基、路面施工經(jīng)驗(yàn)可知，省內(nèi)廣泛使用的半剛性半柔性瀝青路面的承載能力在外荷載和惡劣環(huán)境的耦合作用下將出現(xiàn)承載能力逐步下降的基本趨勢(shì)。路基路面結(jié)構(gòu)在游離水的影響下，將導(dǎo)致路基結(jié)構(gòu)層和瀝青結(jié)構(gòu)層的抗壓強(qiáng)度值下降，且下降速率隨著服役時(shí)間的推移而不斷增加，歸根結(jié)底，水損壞是省內(nèi)路基路面結(jié)構(gòu)破壞的主因之一。為了提升路基路面結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性，在路面層底部加設(shè)墊層結(jié)構(gòu)，借助墊層的疏解功能，將路面結(jié)構(gòu)層中的多余水分借助汽水平衡原理排出結(jié)構(gòu)層外，從而起到延緩使用壽命的目的。

2 高速公路路面墊層結(jié)構(gòu)分析

2.1 高速公路路面墊層結(jié)構(gòu)功能分析

高速公路瀝青路面墊層結(jié)構(gòu)形式布設(shè)在路面基層和路基上層之間，屬于典型的過(guò)渡結(jié)構(gòu)層，墊層的基本功能是改善和緩解路基結(jié)構(gòu)的溫濕度狀況，確保瀝青路面面層及基層的承載能力、變形剛度、荷載穩(wěn)定性等指標(biāo)不會(huì)受到游離水凍脹作用的影響。墊層結(jié)構(gòu)還能夠及時(shí)疏散路面基層及面層傳導(dǎo)來(lái)的車(chē)輛荷載，從而降低路基土體及瀝青混合料的變形值。綜合分析高速公路瀝青路面墊層結(jié)構(gòu)，其功能作用可以歸納為以下幾點(diǎn)：第一，輔助提升路基結(jié)構(gòu)的承載能力，實(shí)現(xiàn)路基和路面基層之間的平緩過(guò)渡；第二，借助汽水平衡原理，墊層能夠及時(shí)平衡滲透至路面基層及墊層中的游離水；第三，高速公路墊層結(jié)構(gòu)的碎石粒徑值較大，進(jìn)而導(dǎo)致墊層結(jié)構(gòu)的自然孔隙率較大，不容易引發(fā)毛細(xì)效應(yīng)，可以有效防止在冬季環(huán)境下的瀝青路面凍脹破壞；第四，墊層結(jié)構(gòu)可以顯著抑制來(lái)自路基層的反射裂縫，且墊層結(jié)構(gòu)在荷載作用下具有天然地裂縫自愈合能力，路基開(kāi)裂后，墊層碎石能夠在外荷載作用下實(shí)現(xiàn)顆粒重分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)應(yīng)力重分布，實(shí)現(xiàn)路基開(kāi)裂裂縫的自愈合。

2.2 高速公路瀝青路面墊層對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響

高速公路瀝青路面在外荷載作用下容易出現(xiàn)彎沉變形，導(dǎo)致半剛性瀝青路面的基層底部出現(xiàn)較大的應(yīng)力，在拉應(yīng)力作用下，容易導(dǎo)致瀝青路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力疲勞破壞。經(jīng)理論模型計(jì)算可知，半剛性瀝青路面基層底部的拉應(yīng)力值與瀝青基層厚度、面層彈性模量等參數(shù)聯(lián)系緊密，因此，文章選取車(chē)輛荷載中心位置作為計(jì)算基準(zhǔn)。表1為墊層結(jié)構(gòu)不同彈性模量條件下的路面基層底部拉應(yīng)力理論值。

表1 墊層不同彈性模量條件下的路面基層底部拉應(yīng)力理論值

分析表1可知，高速公路瀝青路面墊層結(jié)構(gòu)的彈性模量值對(duì)于路面基層底部的拉應(yīng)力效應(yīng)影響顯著；此外，高速公路瀝青路面墊層結(jié)構(gòu)的彈性模量值與高速公路路面基層底部的拉應(yīng)力值呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

對(duì)于高速公路瀝青路面而言，在荷載作用下的彎沉也是瀝青路面的典型病害之一，瀝青路面的豎向變形是表征路面綜合承載能力及運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的基本指標(biāo)之一，路面豎向變形是路面層、路基層變形的幾何疊加結(jié)果，是路面路基層變形的集中體現(xiàn)。依照國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)施工規(guī)范要求，在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，瀝青路面表面的輪隙中心位置的彎沉指標(biāo)是路面抗變形能力的重要參照。表2為瀝青路面墊層結(jié)構(gòu)中，不同彈性模量墊層材料對(duì)應(yīng)的路面彎沉值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表2 不同彈性模量墊層材料對(duì)應(yīng)的路面彎沉值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

分析表2可知，高速公路瀝青路面墊層結(jié)構(gòu)的彈性模量提升程度對(duì)瀝青路面的彎沉影響極其顯著，高速公路瀝青路面墊層結(jié)構(gòu)彈性模量提升的前提下，可以顯著降低瀝青路面的彎沉值。

高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)體系中的墊層結(jié)構(gòu)處于路基結(jié)構(gòu)層和路面結(jié)構(gòu)層的交界處，在具體施工過(guò)程中，墊層結(jié)構(gòu)視為路基結(jié)構(gòu)層的一部分。但是，在路基及路面檢測(cè)驗(yàn)收過(guò)程中，選用的路基土體的彈性模量值為原值，即：40 MPa。加設(shè)墊層后，路基路面系統(tǒng)的整體彈性模量值明顯高于原始的路基模量值，在該條件下，原有的公路交竣工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)則略微偏低，繼續(xù)依照原有的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收，將無(wú)法滿足施工質(zhì)量控制的目的。表3為路基彈性模量差異對(duì)路面彎沉的影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表3 路基彈性模量差異對(duì)路面彎沉的影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果

分析表3可知，路基結(jié)構(gòu)層的彈性模量值增加，路面表面的彎沉值相應(yīng)降低，且降低速率不斷減小，且在路基結(jié)構(gòu)的彈性模量值處于低位時(shí)，材料彈性模量值對(duì)瀝青路面彎沉的影響反而較大。

3 高速公路路面墊層施工技術(shù)及工程應(yīng)用分析

3.1 項(xiàng)目概況

本文選取省內(nèi)南部新建高速項(xiàng)目為研究案例，該項(xiàng)目地處省內(nèi)西南部地區(qū)，地面高程值介于150 m～200 m范圍內(nèi)，其中，有50%以上路段地處山區(qū)及沿河位置，項(xiàng)目地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，夏秋季多雨，由于沿河和山區(qū)工況環(huán)境影響，標(biāo)段內(nèi)多個(gè)地區(qū)地質(zhì)及滲水災(zāi)害頻發(fā)。

3.2 墊層施工工藝及關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用分析

在省內(nèi)高速公路瀝青路面墊層施工實(shí)踐中，常用的施工工藝有兩種，即：平地機(jī)聯(lián)合推土機(jī)施工，該施工工藝成本較低，但施工質(zhì)量難以控制；另一種是借助集料攤鋪設(shè)備施工，集料拌和采用拌合機(jī)完成，該施工工藝自動(dòng)化程度高，施工成本較高，使用質(zhì)量控制能力強(qiáng)。為了保證瀝青路面墊層結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和質(zhì)量控制能力，擬采用第二種施工工藝完成。

合理級(jí)配碎石質(zhì)量直接決定了碎石墊層的施工質(zhì)量，為了保證級(jí)配碎石的級(jí)配合理性，擬選用廠拌法，提高級(jí)配碎石拌和效率；在后期級(jí)配碎石的運(yùn)輸、攤鋪及壓實(shí)過(guò)程中，級(jí)配碎石的天然含水率將出現(xiàn)不同程度的損失，為了保證級(jí)配碎石的最佳含水率，在廠拌階段的加水量應(yīng)略大于最佳含水率值。級(jí)配碎石攤鋪施工時(shí)，建議使用專(zhuān)業(yè)的攤鋪機(jī)，可以提高攤鋪效率，有利于攤鋪質(zhì)量控制，工程實(shí)踐表明，攤鋪機(jī)攤鋪后的墊層結(jié)構(gòu)，級(jí)配碎石離析不明顯、水分散失小，且攤鋪厚度、表面平整度等指標(biāo)均滿足施工規(guī)范要求。圖1為攤鋪施工現(xiàn)場(chǎng)情況。

墊層壓實(shí)施工是整個(gè)施工過(guò)程的核心環(huán)節(jié)，墊層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度形成主要依賴于墊層碎石壓實(shí)，在壓實(shí)荷載作用下，導(dǎo)致碎石顆粒之間相互擠壓嵌入，借助壓實(shí)設(shè)備的振動(dòng)效應(yīng)，能夠使細(xì)集料碎石充分填充、嵌入到粗集料孔隙中，最終形成墊層結(jié)構(gòu)承載強(qiáng)度。圖2為壓實(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)情況。

墊層壓實(shí)施工應(yīng)遵循“先輕壓、后重壓，先慢速、后快速”的基本原則，壓實(shí)施工分為初壓、復(fù)壓及終壓三個(gè)環(huán)節(jié)，初壓和終壓均為靜壓實(shí)，且終壓推進(jìn)速率略快于初壓，復(fù)壓采用動(dòng)壓模式，推進(jìn)速率與終壓一致，復(fù)壓先低頻壓實(shí)2遍后，再切換至高頻壓實(shí)3遍。

4 結(jié)語(yǔ)

高速公路瀝青路面墊層結(jié)構(gòu)具備防滲性能良好、綜合承載能力高、剛度大、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)勢(shì)，能夠顯著提升瀝青路面及路基結(jié)構(gòu)體系的整體性和瀝青路面的服役時(shí)限；文章以省內(nèi)高速公路瀝青路面墊層施工為研究案例，詳細(xì)分析了墊層的結(jié)構(gòu)特性及影響因素，并對(duì)施工工藝進(jìn)行了具體分析；經(jīng)項(xiàng)目實(shí)踐研究論證了墊層施工的可行性。