王擁已+湯永勝+趙平安+劉洪海

摘要：針對(duì)大厚度大寬度水穩(wěn)碎石基層施工中攤鋪設(shè)備、拌和設(shè)備和壓實(shí)設(shè)備等主要機(jī)械的匹配問題，基于對(duì)攤鋪設(shè)備的作業(yè)特性分析，建立了攪拌設(shè)備生產(chǎn)能力計(jì)算模型和壓實(shí)設(shè)備數(shù)量計(jì)算公式。在工程實(shí)踐中運(yùn)用該配套技術(shù)，形成了各機(jī)型之間協(xié)調(diào)工作、設(shè)備與材料特性相適應(yīng)的合理匹配關(guān)系。為具體工程提高作業(yè)效率和施工質(zhì)量提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定基層；設(shè)備匹配；作業(yè)性能；施工工藝

中圖分類號(hào)：U415.51文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： Aimed at the matching of paving， mixing and compaction equipment for the construction of cement stabilized base with large thickness and width， a calculation model for production capacity of the mixing plant and the calculation formula for compaction equipment number were established based on the analysis of working characteristics of paving equipment. The matching techniques were adopted in engineering practice to achieve the coordination of various models， and reasonable matching of equipment and materials was formed， which provides theoretical basis for working efficiency and quality improvement of highway projects.

Key words： cement stabilized base； matching of equipment； working performance； construction technology

0引言

中國(guó)高速公路路面基層普遍采用水泥穩(wěn)定材料，通常一次碾壓成型后最大厚度不大于02 m[1]，對(duì)大于該厚度的結(jié)構(gòu)層進(jìn)行分層攤鋪、碾壓。在實(shí)體工程分層攤鋪時(shí)，各水穩(wěn)層之間由于污染或界面效應(yīng)，存在分離現(xiàn)象，各自成為單獨(dú)的板體，基層底部的受力狀態(tài)和彈性連續(xù)理論的設(shè)計(jì)狀態(tài)不相符[24]。為了確保施工質(zhì)量，一些工程進(jìn)行了大厚度大寬度整體攤鋪?zhàn)鳂I(yè)，且在該方面作了許多研究。李煒光研究了層間狀態(tài)對(duì)厚層水穩(wěn)基層使用性能的影響，指出加大基層的鋪筑厚度使層間位置下移，可明顯降低層底彎拉應(yīng)力，提高基層使用壽命；宋喜文研究了采用中大攤鋪機(jī)和32 t壓路機(jī)進(jìn)行大厚度水泥穩(wěn)定土基層整體攤鋪的施工工藝[5]；胡俊偉研究了多功能攤鋪機(jī)大厚度大寬度水穩(wěn)層施工工藝[6]。目前的研究主要集中在水穩(wěn)厚層施工的工藝過程，很少涉及設(shè)備配套的合理性和有效性。近幾年有些地方的工程出現(xiàn)了攤鋪厚度大于200 mm的情況?；鶎邮┕ぜ夹g(shù)規(guī)范指出：可減少結(jié)構(gòu)層數(shù)量，改善層間結(jié)合，提高路面結(jié)構(gòu)的整體性，但是要實(shí)現(xiàn)大厚度攤鋪碾壓，需要具備大功率的攤鋪設(shè)備和大噸位的碾壓設(shè)備，混合料的拌和能力也需要相應(yīng)提高[7]。

本文基于大厚度大寬度攤鋪設(shè)備DT1800，研究符合材料施工特性和工程質(zhì)量要求的攤鋪機(jī)、壓路機(jī)和拌和設(shè)備機(jī)群配套技術(shù)，為實(shí)體工程提高作業(yè)效率和施工質(zhì)量提供理論基礎(chǔ)。

1層間狀態(tài)對(duì)水穩(wěn)基層使用性能的影響

中國(guó)高等級(jí)公路基層和底基層的總設(shè)計(jì)厚度在500～600 mm，其中基層厚度為200～400 mm。長(zhǎng)期以來，由于受到攤鋪和壓實(shí)設(shè)備技術(shù)水平的限制，只允許單層攤鋪厚度在200 mm以內(nèi)，采用多層攤鋪工藝往往造成層間粘結(jié)不牢、接縫處離析、施工效率低等問題。隨著中大機(jī)械DT1800攤鋪機(jī)的問世，出現(xiàn)了寬幅大厚度一次攤鋪成型的施工工藝。為了評(píng)價(jià)該工藝的優(yōu)劣，本文研究水穩(wěn)基層層間狀態(tài)對(duì)使用性能的影響。級(jí)配選用規(guī)范中值，水泥劑量為45%，重型擊實(shí)最大干密度為235 t·m-3，最佳含水量為465%。采用靜壓法成型直徑為150 mm的圓柱體試件和100 mm×100 mm×400 mm的長(zhǎng)方體試件。分別對(duì)層間完全連續(xù)、層間半連續(xù)和層間分離狀態(tài)進(jìn)行了力學(xué)性能、抗裂性能和疲勞性能等測(cè)試，結(jié)果見圖1～6。圖中k1～k3代表不同的層間狀態(tài)，k1為完全結(jié)合，k2為半結(jié)合，k3為完全分離。圖1～3為90 d的測(cè)試結(jié)果，表明力學(xué)指標(biāo)隨著層間結(jié)合狀態(tài)變差而降低，最大降幅可以達(dá)到20%以上；圖4表明，在溫度28 ℃、濕度25%的條件下，144 h的平均干縮系數(shù)隨層間狀態(tài)惡化大幅度增加；圖5表明，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，從-10 ℃～50 ℃的平均溫縮系數(shù)隨層間接觸狀態(tài)變差在大幅增加；圖6為90 d抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，表明耐疲勞性能隨著層間結(jié)合狀態(tài)變差大幅的降低。綜合以上試驗(yàn)結(jié)果可知，層間狀態(tài)對(duì)水穩(wěn)基層性能有重要影響，非連續(xù)狀態(tài)最為不利。因此大厚度一次攤鋪成型工藝是提高基層施工質(zhì)量的一種有效方法。

2設(shè)備匹配技術(shù)研究

在大厚度大寬度水穩(wěn)基層施工中，攤鋪設(shè)備與攪拌設(shè)備、運(yùn)輸車、碾壓設(shè)備能否協(xié)調(diào)、連續(xù)、穩(wěn)定工作，直接影響施工質(zhì)量。由于各機(jī)種之間既相互聯(lián)系又相互制約，只有保證各機(jī)型之間有合理的匹配關(guān)系，才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)資源配置、最佳工作效率和降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。

設(shè)備匹配技術(shù)是指針對(duì)路面結(jié)構(gòu)形式和基層材料特性，根據(jù)單機(jī)性能指標(biāo)和施工工藝確定設(shè)備的種類、數(shù)量等參數(shù)，形成以滿足工期要求和工程質(zhì)量要求為基礎(chǔ)的合理的機(jī)群匹配關(guān)系。

2.1穩(wěn)定土攤鋪機(jī)工作裝置的速度特性

研究表明，大厚度水穩(wěn)基層材料的厚度大、固有頻率較低，攤鋪機(jī)的振搗器需要以低頻高幅作業(yè)來適應(yīng)材料的壓實(shí)特性。根據(jù)材料共振壓實(shí)理論，可得攤鋪機(jī)的夯錘夯實(shí)工作特性與攤鋪速度之間的關(guān)系[8]

式中：A0為材料堆積密度系數(shù)（%）；A為與擊實(shí)能力有關(guān)的系數(shù)（%）；f為振動(dòng)夯擊振頻率（Hz）；V為攤鋪機(jī)作業(yè)速度（m·min-1）；y為壓實(shí)度（%）。

圖7中橫坐標(biāo)為攤鋪速度，縱坐標(biāo)為壓實(shí)度影響系數(shù)，它是指工作過程中夯錘對(duì)材料產(chǎn)生的密實(shí)度與攤鋪機(jī)對(duì)材料的最大攤鋪密實(shí)度之比。圖中的曲線分布表明擊振頻率對(duì)振動(dòng)夯的工作特性有較大影響，擊振頻率越高曲線越向右側(cè)移動(dòng)。在進(jìn)行低頻攤鋪時(shí)，工作速度不大于30 m·min-1，攤鋪密實(shí)度較為穩(wěn)定。同時(shí)，考慮到水穩(wěn)碎石的材料特性和攤鋪機(jī)工作效率，攤鋪速度為2～3 m·min-1為宜。

2.2攪拌設(shè)備生產(chǎn)能力的確定

在大厚度大寬度水穩(wěn)基層施工機(jī)械配置時(shí)，應(yīng)在綜合考慮工程量大小、工期要求以及材料影響系數(shù)和時(shí)間利用系數(shù)等因素的前提下來選擇拌和設(shè)備的生產(chǎn)能力，拌和設(shè)備產(chǎn)量可按下式進(jìn)行估算

Q=0.6C·V·D·H·T（2）

式中：V為攤鋪速度（m·min-1）；D為混合料密度（t·m-3）；C為攤鋪機(jī)作業(yè)效率系數(shù)（0.8～0.9）；H為鋪筑寬度（m）；T為鋪筑厚度（cm）；Q為攤鋪機(jī)生產(chǎn)率（t·h-1）。

根據(jù)攤鋪機(jī)的水穩(wěn)施工作業(yè)速度范圍要求，攤鋪速度宜為2 m·min-1。攤鋪速度過慢會(huì)造成攤鋪機(jī)克服行駛阻力的能力變?nèi)酰瑥亩鴮?dǎo)致攤鋪機(jī)速度不穩(wěn)定；而攤鋪速度過快會(huì)造成運(yùn)料車的銜接存在問題，使攤鋪機(jī)難以連續(xù)作業(yè)。

基于式（2），在考慮施工過程中的產(chǎn)量?jī)?chǔ)備后，可得攪拌設(shè)備生產(chǎn)率Q′的計(jì)算公式

Q′=K·Q（3）

式中：K為攪拌設(shè)備的貯備系數(shù)，考慮到不同材料的拌和難易程度對(duì)設(shè)備產(chǎn)量的影響，該系數(shù)取11～13。

工程實(shí)踐表明：細(xì)集料較粗集料難于拌和；含水量低較含水量高的混合料難于拌和；水泥劑量低較水泥劑量高的混合料難于拌和。對(duì)于連續(xù)式攪拌設(shè)備，由于拌和時(shí)間不變，需要通過減小攪拌器的進(jìn)料量解決混合料難拌和的問題。連續(xù)工作時(shí)，對(duì)于難拌和的混合料，產(chǎn)量通常設(shè)為額定產(chǎn)量的80%～90%。

2.3壓實(shí)機(jī)械配置

大厚度大寬度水穩(wěn)基層壓實(shí)作業(yè)分為初壓、復(fù)壓和終壓3個(gè)工序。初壓階段采用13 t雙鋼輪雙驅(qū)壓路機(jī)對(duì)混合料靜壓2遍，使其具有初步的承載力。復(fù)壓是為了在盡量短的時(shí)間內(nèi)使鋪層達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度要求，對(duì)于大厚度攤鋪宜采用32～36 t單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)碾壓2～3遍。終壓是為了提高材料表層致密度，消除碾壓輪跡，采用30～37 t膠輪壓路機(jī)靜壓2～3遍，同時(shí)利用初壓階段的雙鋼輪壓路機(jī)進(jìn)行收光工作。因此，壓路機(jī)的臺(tái)數(shù)應(yīng)根據(jù)攤鋪機(jī)的作業(yè)速度、碾壓遍數(shù)、路幅寬度以及壓路機(jī)碾壓速度及其有效壓實(shí)寬度等因素進(jìn)行確定，即

式中：M為初壓、復(fù)壓或終壓的壓路機(jī)臺(tái)數(shù)；E為路幅寬度（m）；S為壓路機(jī)的速度（m·min-1）；n為碾壓遍數(shù)，以全幅碾壓1個(gè)往返為1遍；B為壓路機(jī)的有效碾壓寬度，鋼輪碾壓時(shí)，B為輪寬的2/3，膠輪碾壓時(shí)，B為輪寬的1/2，振動(dòng)輪碾壓時(shí)，B為輪寬減03 m。

3設(shè)備配套合理性檢驗(yàn)

水穩(wěn)基層施工機(jī)械配置的合理性取決于混合料的允許碾壓延遲時(shí)間。延遲時(shí)間是指水泥穩(wěn)定碎石從拌和、運(yùn)輸、攤鋪到完成碾壓的過程，它對(duì)混合料的強(qiáng)度和所能達(dá)到的干密度有十分顯著的影響。延遲時(shí)間越短，混合料的強(qiáng)度和干密度的損失越小，對(duì)路用性能越有利。碾壓延遲2 h，水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度損失約12%，水泥穩(wěn)定砂粒強(qiáng)度損失約14%，水泥穩(wěn)定原狀砂粒強(qiáng)度損失約22%，水泥穩(wěn)定礫質(zhì)砂強(qiáng)度損失約60%[9]。為了使碾壓完成后的水泥穩(wěn)定材料具有足夠的強(qiáng)度，美國(guó)和英國(guó)等國(guó)家要求碾壓延遲時(shí)間不大于2 h。

在路面成型過程中，碾壓延遲時(shí)間由混合料的運(yùn)輸時(shí)間、壓實(shí)規(guī)范要求的一個(gè)碾壓需要的時(shí)間和完成碾壓過程需要的時(shí)間這3部分組成。

根據(jù)中國(guó)公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范的要求，采用的施工組織模式為：以拌和設(shè)備作為核心設(shè)備，將水泥、集料和水按照設(shè)計(jì)配比混合，采用連續(xù)式拌和方式攪拌，并將成品料暫時(shí)儲(chǔ)存在料倉(cāng)中；運(yùn)輸車將成品料運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)等待卸料；攤鋪機(jī)將卸入料斗的混合料攤鋪均勻；在攤鋪出50～60 m長(zhǎng)的混合料鋪層后，依次進(jìn)行初壓、復(fù)壓、終壓等碾壓工序。在保證攤鋪機(jī)連續(xù)攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的條件下，檢驗(yàn)設(shè)備匹配的合理性

式中：L為一個(gè)碾壓段長(zhǎng)度（m）；N為壓路機(jī)總碾壓遍數(shù)；Va為壓路機(jī)平均速度（m·min-1）；ta為運(yùn)輸車裝料、運(yùn)料、等待和卸料所需時(shí)間（min）。

4設(shè)備配套實(shí)例

某一級(jí)公路以中大攤鋪機(jī)DT1800為核心設(shè)備，攤鋪速度為2 m·min-1，攤鋪寬度為11.5 m，壓實(shí)厚度為32 cm，攤鋪機(jī)效率系數(shù)取0.8，混合料密度取值為2.4 t·m-3，攪拌設(shè)備的貯備系數(shù)K取1.3。

根據(jù)工程進(jìn)度及工藝要求，按式（2）～（4）計(jì)算，結(jié)果為：需要拌和站的額定生產(chǎn)能力為 800 t·h-1，選擇2臺(tái)500型拌和站；需要2臺(tái)13 t雙鋼輪雙驅(qū)壓路機(jī)、2臺(tái)36 t單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)、2臺(tái)37 t輪胎壓路機(jī)；同時(shí)需要利用初壓中的2臺(tái)13 t雙鋼輪雙驅(qū)壓路機(jī)進(jìn)行收光工作。

按照上述施工設(shè)備配置進(jìn)行了大厚度大寬度水穩(wěn)基層施工，工作人員采用罐砂法對(duì)壓實(shí)后的路面壓實(shí)度進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)見表1；采用3 m直尺測(cè)量平整度，數(shù)據(jù)見表2。試驗(yàn)結(jié)果滿足公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范（JTG/T F20—2015）對(duì)于壓實(shí)度（>95%）和平整度（≥12 mm）的要求。

5結(jié)語(yǔ)

（1） 大厚度大寬度水穩(wěn)基層施工工藝較傳統(tǒng)施工工藝層間結(jié)合好，水穩(wěn)基層在強(qiáng)度指標(biāo)、抗裂性能和疲勞耐久性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

（2） 在大厚度大寬度水穩(wěn)基層施工過程中，為了保證核心工作設(shè)備攤鋪機(jī)的連續(xù)穩(wěn)定工作，對(duì)拌和站、壓路機(jī)等設(shè)備進(jìn)行合理匹配，建立以保證作業(yè)質(zhì)量為前提，以降低成本為目標(biāo)，最大程度發(fā)揮核心機(jī)械作業(yè)性能，提高機(jī)群整體作業(yè)效率，并與材料特性相適應(yīng)的設(shè)備匹配關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

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[責(zé)任編輯：譚忠華]