1安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司；2公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心
3安徽建工技师学院
摘要：通过理论分析和室内试验，经技术和经济综合比选后提出在低填浅挖段设置一层碎石垫层，使滞留在路面结构中的水通过水气交换排出公路，降低水对路面使用性能的影响；同时改善路面结构层受力状况，延长路面的耐久性。
1、背景
高速公路低填浅挖段一般开挖至路床底面标高后，继续超挖和翻挖，但由于低填浅挖段路床下部天然土并没有完全固结，其密实度不高，碾压中易出现弹簧，压实度难以满足要求。
根据改扩建项目建设经验，既有道路低填浅挖段路基含水量较大，路面病害较多，常设置排水型级配碎石垫层，使用效果较好，因此，有必要对新建高速公路低填浅挖段设置碎石垫层进行详细研究。
2、设置碎石垫层理论分析
根据调查，高速公路路面的破坏90%以上是由水引起的，虽然设计中采取了一定的排水措施，但路面结构中仍然存在较多的水分，导致路面承载能力下降并出现大量的水损坏，因此，在半刚性底基层与土基之间增设一层碎石垫层，通过碎石垫层将路面结构中存在的水排出结构层，以减少半刚性基层路面的破坏。
2.1碎石垫层设计的依据
根据《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2017），“路基湿度状态为中湿或潮湿时，宜采用粒料类底基层或设置粒料类路基改善层；地下水位高、排水不良路段基层和底基层为非粒料类材料时，可在基层或底基层与路床间设置粒料层。”
沥青路面病害主要是无机结合料疲劳开裂和面层反射裂缝。反射裂缝处雨水、雪水渗入后容易出现唧泥、基层脱空等损坏，多雨地区尤为严重，铺设粒料排水层或设置粒料类路基改善层等，可减少唧泥、脱空的发生。
设置粒料排水层，可起到排水作用，一方面避免潮湿路基或裂隙水、地下水等影响路面湿度状态，另一方面可及时排除路面内部水，避免下渗影响路基。
2.2碎石垫层的作用
2.2.1排除层间水
路面裂缝渗水、面层的孔隙渗水、中分带渗水、低填浅挖段的裂隙水等会进入路面结构甚至路基顶面，碎石垫层可迅速排除进入路面的水，其排水能力主要表现在两个方面：渗水系数、材料的耐水能力。
（1）渗水系数
碎石垫层的渗水系数一般在10-2～10-3cm/s之间，一个昼夜可以把水排干。根据美国联邦公路局在大量实践和调查后提出的材料渗透性标准，可以把它的渗水性能归为“完美”和“好”之间。
路面结构层中的水会顺着裂缝渗入碎石垫层中，由于碎石垫层的渗水性要比半刚性层高的多，水会通过碎石垫层排入路侧渗沟中，从而排出路基，大大减少了滞留在路面结构中的水及由水引起的基层脱空、唧泥等病害，从而提高了道路的使用寿命。
（2）材料的耐水能力
材料在浸水后其力学性能一般会衰减，如水稳碎石、石灰土等在浸水后其无侧限抗压强度会迅速衰减，并且长期浸水后，会出现材料松散、整体强度丧失；而碎石作为松散状的粒料材料，其浸水强度的衰减要远远小于石灰土等材料，因此，采用碎石作为垫层能提高路基在浸水状态下的稳定性，获得更长的结构寿命。
2.2.2隔断毛细水上升
为了探讨碎石垫层对毛细水上升高度的影响规律，对填土和原地基土体均具有膨胀性的填方路基进行分析，初始地下水位相同、路基含水量等参数均相同，在基底设置厚度均为30cm的垫层，垫层材料分别采用碎石和石灰改性土，以垫层为中心，含水量沿高度的变化情况如下图所示：
从上图可以看出：采用碎石作为垫层材料时，含水量沿高度变化曲线在垫层处发生转折，垫层以上土体的含水量与初始含水量基本一致，垫层以下土体的含水量明显增加，表明碎石垫层对毛细水上升的阻隔效应明显。碎石作为垫层材料时，即使在较为严格的条件下，其毛细水上升高度也仅为13.2cm，因此，施工中铺设20cm厚的碎石垫层即可达到阻隔毛细水上升的效果。
从上图可以看出，采用石灰改性土作垫层时，垫层含水量比土层的含水量更高，这主要是由于石灰土垫层的饱和含水量较高，垫层以上填土的含水量出现明显增大，表明石灰改性土垫层未能有效阻隔毛细水的上升。
2.2.3减少反射裂缝
碎石垫层处于三向受压的状态，垫层本身可认为存在无数微小裂纹，这种裂纹之所以不扩展，在于这种裂纹是每个颗粒界面都存在，且是大量无规则的，在外界因素作用下，不存在拉开的趋势。另外，碎石材料对裂缝具有自愈性，一旦路基出现裂缝或不均匀变形，无粘结碎石骨料在荷载的作用下位置重新调整，同时应力重新分布，骨料重新排列，在一定程度上减轻了路面病害的产生。
南方地区雨水多，在干湿循环作用和交通荷载的反复作用下路基的强度和稳定性会有所下降，使路基产生一些病害，在路基顶部铺设一层碎石垫层作为缓冲地带，对基层传下的车辆荷载应力加以扩散，路基顶面裂缝尖端的拉应力不会在碎石垫层面形成应力集中，减小了土基产生的应力和变形，阻止路基裂缝进一步向上发展影响路面结构。
2.2.4改善层间受力
当半刚性底基层与土基直接接触时，其层间模量比大于10，半刚性材料会产生较大的拉应力。设置一定厚度的碎石垫层，对减小半刚性基层和底基层的层底拉应力具有重要的作用。在其他参数相同的情况下，轮胎中心处基层、底基层层底拉应力随碎石层厚度变化情况如下图所示：
通过上图可以看出，层底拉应力在一定范围内随着碎石厚度的增加而减小。碎石垫层厚度从10cm增加到30cm，基层层底拉应力减少了40.6%，底基层减少了31.2%，可见设置的碎石垫层对减小半刚性基层层底拉应力有重要作用。
图3基层、底基层层底拉应力随碎石厚度的变化情况
3、经济分析
3.1初期造价
参考近年来公路建设中的材料价格及相关机械费用，20cm厚级配碎石综合单价为79.4元/m2，8%石灰土综合单价为107元/m3，20cm厚综合单价折算为21.4元/m2。三种方案如下：
图4比选方案一览表
3.2使用期内养护费用分析
碎石垫层可及时将水排出，隔断毛细水上升，减少水对路基路面的损害。因此，养护费用低，具有较高的经济效益，路面使用寿命可增加40%以上。
结合既有高速公路养护调查情况，假设使用期内不设置碎石垫层的路面上面层更换2次，设置碎石垫层的路面使用期内上面层更换1.2次（中下面层、基层和底基层病害处理费用统一列入其他养护费用）。
3.3残值
根据我国的初步调查，路面残值一般介于建设初期投资的25%~40%之间。石灰土由于长时间使用后含水量会显著增加、钙离子会流失，其残值主要是土的价值，因此，石灰土残值取较低值30%，为6.4元/m2。碎石性能随时间的变化基本不变，因此，其残值取高值40%，为31.8元/m2。
3.4全寿命经济成本
三种方案总的费用如下表所示，其中残值取负值。
表1路面全寿命经济成本对比表（元/m2）
从上表可以看出三个方案全寿命经济成本分别为182.6元/m2，200.1元/m2，215.0元/m2，方案一全寿命周期内成本最低，比方案二、方案三分别降低9.6%和17.7%。从路面全寿命经济成本来看，推荐采用方案一。
3.5社会效益
设置碎石垫层可以减少水损害的产生和改善水稳层受力状况，具有良好的耐久性能，有利于保证交通长期安全通畅，避免因养护维修造成的交通拥堵，提供了一个安全舒适的行车环境，为地方经济发展提供了有力保障。另外，路面状况提高后可减少交通事故、车辆磨损及车辆颠簸增加的燃油消耗，保证了人民的生命安全和财产安全，减少了社会经济损失和对环境的污染，具有显著的社会效益。
4、结论
基于高速公路具有地理位置重要、交通荷载等级较高、重车比例大等特点，低填浅挖段地势较低、地下水较丰富时，根据已有高速公路有无设置碎石层的使用效果对比，结合改扩建项目建设经验，经综合比选论证，从全寿命周期成本上讲，应在低填浅挖段设置15-20cm厚碎石垫层。