大厚度大寬度水穩基層施工設備配套技術研究

王擁已+湯永勝+趙平安+劉洪海

摘要：針對大厚度大寬度水穩碎石基層施工中攤鋪設備、拌和設備和壓實設備等主要機械的匹配問題，基于對攤鋪設備的作業特性分析，建立了攪拌設備生產能力計算模型和壓實設備數量計算公式。在工程實踐中運用該配套技術，形成了各機型之間協調工作、設備與材料特性相適應的合理匹配關系。為具體工程提高作業效率和施工質量提供理論基礎。

關鍵詞：水泥穩定基層；設備匹配；作業性能；施工工藝

中圖分類號：U415.51文獻標志碼：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

中國高速公路路面基層普遍采用水泥穩定材料，通常一次碾壓成型后最大厚度不大于02 m[1]，對大于該厚度的結構層進行分層攤鋪、碾壓。在實體工程分層攤鋪時，各水穩層之間由于污染或界面效應，存在分離現象，各自成為單獨的板體，基層底部的受力狀態和彈性連續理論的設計狀態不相符[24]。為了確保施工質量，一些工程進行了大厚度大寬度整體攤鋪作業，且在該方面作了許多研究。李煒光研究了層間狀態對厚層水穩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力，提高基層使用壽命；宋喜文研究了采用中大攤鋪機和32 t壓路機進行大厚度水泥穩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大厚度大寬度水穩層施工工藝[6]。目前的研究主要集中在水穩厚層施工的工藝過程，很少涉及設備配套的合理性和有效性。近幾年有些地方的工程出現了攤鋪厚度大于200 mm的情況。基層施工技術規范指出：可減少結構層數量，改善層間結合，提高路面結構的整體性，但是要實現大厚度攤鋪碾壓，需要具備大功率的攤鋪設備和大噸位的碾壓設備，混合料的拌和能力也需要相應提高[7]。

本文基于大厚度大寬度攤鋪設備DT1800，研究符合材料施工特性和工程質量要求的攤鋪機、壓路機和拌和設備機群配套技術，為實體工程提高作業效率和施工質量提供理論基礎。

1層間狀態對水穩基層使用性能的影響

中國高等級公路基層和底基層的總設計厚度在500～600 mm，其中基層厚度為200～400 mm。長期以來，由于受到攤鋪和壓實設備技術水平的限制，只允許單層攤鋪厚度在200 mm以內，采用多層攤鋪工藝往往造成層間粘結不牢、接縫處離析、施工效率低等問題。隨著中大機械DT1800攤鋪機的問世，出現了寬幅大厚度一次攤鋪成型的施工工藝。為了評價該工藝的優劣，本文研究水穩基層層間狀態對使用性能的影響。級配選用規范中值，水泥劑量為45%，重型擊實最大干密度為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的長方體試件。分別對層間完全連續、層間半連續和層間分離狀態進行了力學性能、抗裂性能和疲勞性能等測試，結果見圖1～6。圖中k1～k3代表不同的層間狀態，k1為完全結合，k2為半結合，k3為完全分離。圖1～3為90 d的測試結果，表明力學指標隨著層間結合狀態變差而降低，最大降幅可以達到20%以上；圖4表明，在溫度28 ℃、濕度25%的條件下，144 h的平均干縮系數隨層間狀態惡化大幅度增加；圖5表明，標準養護28 d后，從-10 ℃～50 ℃的平均溫縮系數隨層間接觸狀態變差在大幅增加；圖6為90 d抗折強度試驗結果，表明耐疲勞性能隨著層間結合狀態變差大幅的降低。綜合以上試驗結果可知，層間狀態對水穩基層性能有重要影響，非連續狀態最為不利。因此大厚度一次攤鋪成型工藝是提高基層施工質量的一種有效方法。

2設備匹配技術研究

在大厚度大寬度水穩基層施工中，攤鋪設備與攪拌設備、運輸車、碾壓設備能否協調、連續、穩定工作，直接影響施工質量。由于各機種之間既相互聯系又相互制約，只有保證各機型之間有合理的匹配關系，才能實現最優資源配置、最佳工作效率和降低生產成本的目標。

設備匹配技術是指針對路面結構形式和基層材料特性，根據單機性能指標和施工工藝確定設備的種類、數量等參數，形成以滿足工期要求和工程質量要求為基礎的合理的機群匹配關系。

2.1穩定土攤鋪機工作裝置的速度特性

研究表明，大厚度水穩基層材料的厚度大、固有頻率較低，攤鋪機的振搗器需要以低頻高幅作業來適應材料的壓實特性。根據材料共振壓實理論，可得攤鋪機的夯錘夯實工作特性與攤鋪速度之間的關系[8]

式中：A0為材料堆積密度系數（%）；A為與擊實能力有關的系數（%）；f為振動夯擊振頻率（Hz）；V為攤鋪機作業速度（m·min-1）；y為壓實度（%）。

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

2.2攪拌設備生產能力的確定

在大厚度大寬度水穩基層施工機械配置時，應在綜合考慮工程量大小、工期要求以及材料影響系數和時間利用系數等因素的前提下來選擇拌和設備的生產能力，拌和設備產量可按下式進行估算

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為攤鋪機作業效率系數（0.8～0.9）；H為鋪筑寬度（m）；T為鋪筑厚度（cm）；Q為攤鋪機生產率（t·h-1）。

根據攤鋪機的水穩施工作業速度范圍要求，攤鋪速度宜為2 m·min-1。攤鋪速度過慢會造成攤鋪機克服行駛阻力的能力變弱，從而導致攤鋪機速度不穩定；而攤鋪速度過快會造成運料車的銜接存在問題，使攤鋪機難以連續作業。

基于式（2），在考慮施工過程中的產量儲備后，可得攪拌設備生產率Q′的計算公式

Q′=K·Q（3）

式中：K為攪拌設備的貯備系數，考慮到不同材料的拌和難易程度對設備產量的影響，該系數取11～13。

工程實踐表明：細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。對于連續式攪拌設備，由于拌和時間不變，需要通過減小攪拌器的進料量解決混合料難拌和的問題。連續工作時，對于難拌和的混合料，產量通常設為額定產量的80%～90%。

2.3壓實機械配置

大厚度大寬度水穩基層壓實作業分為初壓、復壓和終壓3個工序。初壓階段采用13 t雙鋼輪雙驅壓路機對混合料靜壓2遍，使其具有初步的承載力。復壓是為了在盡量短的時間內使鋪層達到規定的壓實度要求，對于大厚度攤鋪宜采用32～36 t單鋼輪振動壓路機碾壓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膠輪壓路機靜壓2～3遍，同時利用初壓階段的雙鋼輪壓路機進行收光工作。因此，壓路機的臺數應根據攤鋪機的作業速度、碾壓遍數、路幅寬度以及壓路機碾壓速度及其有效壓實寬度等因素進行確定，即

式中：M為初壓、復壓或終壓的壓路機臺數；E為路幅寬度（m）；S為壓路機的速度（m·min-1）；n為碾壓遍數，以全幅碾壓1個往返為1遍；B為壓路機的有效碾壓寬度，鋼輪碾壓時，B為輪寬的2/3，膠輪碾壓時，B為輪寬的1/2，振動輪碾壓時，B為輪寬減03 m。

3設備配套合理性檢驗

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

在路面成型過程中，碾壓延遲時間由混合料的運輸時間、壓實規范要求的一個碾壓需要的時間和完成碾壓過程需要的時間這3部分組成。

根據中國公路路面基層施工技術規范的要求，采用的施工組織模式為：以拌和設備作為核心設備，將水泥、集料和水按照設計配比混合，采用連續式拌和方式攪拌，并將成品料暫時儲存在料倉中；運輸車將成品料運送至施工現場等待卸料；攤鋪機將卸入料斗的混合料攤鋪均勻；在攤鋪出50～60 m長的混合料鋪層后，依次進行初壓、復壓、終壓等碾壓工序。在保證攤鋪機連續攤鋪作業的條件下，檢驗設備匹配的合理性

式中：L為一個碾壓段長度（m）；N為壓路機總碾壓遍數；Va為壓路機平均速度（m·min-1）；ta為運輸車裝料、運料、等待和卸料所需時間（min）。

4設備配套實例

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

根據工程進度及工藝要求，按式（2）～（4）計算，結果為：需要拌和站的額定生產能力為 800 t·h-1，選擇2臺500型拌和站；需要2臺13 t雙鋼輪雙驅壓路機、2臺36 t單鋼輪振動壓路機、2臺37 t輪胎壓路機；同時需要利用初壓中的2臺13 t雙鋼輪雙驅壓路機進行收光工作。

按照上述施工設備配置進行了大厚度大寬度水穩基層施工，工作人員采用罐砂法對壓實后的路面壓實度進行測量，數據見表1；采用3 m直尺測量平整度，數據見表2。試驗結果滿足公路路面基層施工技術規范（JTG/T F20—2015）對于壓實度（>95%）和平整度（≥12 mm）的要求。

5結語

（1） 大厚度大寬度水穩基層施工工藝較傳統施工工藝層間結合好，水穩基層在強度指標、抗裂性能和疲勞耐久性等方面具有明顯優勢。

（2） 在大厚度大寬度水穩基層施工過程中，為了保證核心工作設備攤鋪機的連續穩定工作，對拌和站、壓路機等設備進行合理匹配，建立以保證作業質量為前提，以降低成本為目標，最大程度發揮核心機械作業性能，提高機群整體作業效率，并與材料特性相適應的設備匹配關系。

參考文獻：

[1]JTG/T F20—2015，公路路面基層施工技術細則[S].

[2]李煒光，彭加武，項柳福，等.層間狀態對厚層水穩基層使用性能影響研究[J].武漢理工大學學報，2010，32（14）：5357，60.

[3]項柳福.大厚度水泥穩定碎石基層研究[D].西安：長安大學，2009.

[4]彭加武.厚層水泥穩定碎石基層病害機理分析及處置對策研究[D].西安：長安大學，2009.

[5]宋喜文.大厚度（≥30 cm）水泥穩定土基層整體攤鋪施工工藝[J].黑龍江科技信息，2011（8）：257.

[6]胡俊偉，李先鋒.多功能攤鋪機大厚度大寬度水穩層施工工藝[J].科技風，2009（17）：152153.

[7]郭守見，肖建華.淺談水穩層大寬度大厚度施工工藝[J].西南公路，2010（3）：6770.

[8]劉洪海，吁新華.基于瀝青路面施工質量的設備合理匹配技術研究[J].筑路機械與施工機械化，2007，24（7）：2327.

[9]沙慶林.高等級公路半剛性基層瀝青路面[M].北京：人民交通出版社，1998.

[責任編輯：譚忠華]