半刚性基层双层连续摊铺施工组织工艺研究

发布时间: 2019-06-12    浏览(251)

目前,中国高等级公路普遍采用半刚性结构层,传统施工方法采用分层不连续摊铺工艺进行摊铺,这种施工方法会对半刚性基层产生较大的施工损伤,且施工期长,尤其在北方寒冷地区施工期短,年平均施工期不足4个月,这一弱势对道路施工产生了严重影响。近年来,双层连续摊铺技术开始逐步在中国半刚性基层摊铺中使用,其摊铺技术可以有效缩短基层施工时间,提高了基层层间的粘结效果,增加路面使用寿命。


然而国外道路结构层中基层的使用情况较少,其双层连续摊铺技术主要运用在沥青面层摊铺中。德国应用双层摊铺施工的高等级公路路面已经达到约400万m2,路面使用效果良好。达姆施塔特技术大学通过经济效益分析得出:当摊铺面积达到12400m2时双层摊铺技术具有明显的经济效益。


近年来,中国科研工作者对半刚性基层双层连续摊铺施工技术也进行了一定研究工作。平国超依托邯郸大名高速试验段进行了水稳基层双层连续摊铺施工,结果表明这种摊铺方法具有良好的整体力学性能,优良的抗温缩、抗干缩裂缝特性。任福松等基于沪宁高速上海段试验路的摊铺,计算得出双层连续摊铺技术在经济效益上远超传统施工。


通过以上研究发现,目前中国对半刚性基层的研究相对不足,双层连续摊铺技术主要应用于沥青面层的摊铺过程中,对双层连续摊铺工艺的研究主要以沥青温度状况为主,对半刚性基层的施工工艺并没有明确的规范。本文以内蒙古省道203线满阿段为例,对半刚性双层连续摊铺施工组织工艺进行了系统研究,提出了合理的施工车辆限重标准,确定了双层连续摊铺下提高压路机使用效率的施工方案,制定了基层双层连续摊铺施工网络图,并在现场施工中予以成功应用。

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双层连续摊铺平整度控制标准

施工车辆对平整度扰动的影响


路面平整度是路面质量控制的一个重要指标。影响路面平整度的因素非常复杂,包括人员、机械、材料、工艺、环境等。双层连续摊铺过程中,由于受工期的影响,上基层开始施工时,半刚性下基层的强度往往没有达到设计强度,运输车辆直接作用在未经养生的水稳碎石基层上,未经养生基层的永久变形随着运输车辆的轴载增加而增大,若施工机械车辆轴载过大,轴载作用往往会造成下基层的破坏。因此从控制平整度的角度出发,在双层连续摊铺过程中应着重控制施工车辆对平整度再扰动的影响。对运输车辆的载重设置上限。


基于平整度控制的运输车辆限重标准


运输车辆轴载上限控制


降低下层顶面的回弹弯沉,能够减小顶面竖向永久变形,尽量保证其平整度。省道203线满阿段双层连续摊铺施工段施工方案有2种:一种是对32cm厚底基层,进行分层连续摊铺,每层厚度为16cm;另一种是对32cm底基层采用厚层水稳碎石整体摊铺,对18cm厚基层进行连续摊铺。2种方案下,随着轴载的增加。


《公路工程质量检验评定标准》规定高速、一级公路的底基层平整度标准为12mm。计算结果中竖向永久变形的变化范围为0.9~2.8mm,为规范规定值的7.5%~23%,由此可见由运输车辆产生的平整度扰动相对较小。


根据平整度传递理论,将该层的平整度扰动传递至底基层顶面,已知基层松铺系数为1.3,压缩比为0.76,则运输车辆造成的底基层顶面平整度扰动范围为0.7~2.7mm,为规范规定值的5.8%~22.5%。为保证施工质量,尽量消除运输车辆对平整度的扰动,对平整度扰动大于15%的轴载进行限制,即对永久变形大于2.4mm的轴载进行限定。由计算结果可知,对于16cm厚底基层,应选择310kN为其运输车辆轴载上限;对于32cm厚底基层,应选择350kN为其轴载上限。


运输车辆轴载下限控制


从施工组织的角度考虑,基层施工过程中,摊铺机需料量大,为保证摊铺机连续工作,运输车辆应该具有一定的运输能力,因此应对运输车辆的载重设置下限。


从施工组织的角度出发,对运输车辆的载重要求过于严格,需要增加运输车辆的数量与拌和设备的生产能力相匹配,以免出现摊铺机无法连续工作,停车等料现象。


基层摊铺过程以摊铺机为主导机械,应使拌和站、运输车辆与摊铺机的生产能力相匹配。


本文依托工程为内蒙古省道203线满阿段,其所在标段配备WCB600型水泥稳定碎石拌和站,生产能力为600t·h-1。混合料密度为2.5g·cm-3,摊铺宽度为11.25cm,压实厚度为分16cm和32cm两种方案。设定摊铺机匀速摊铺速度为2m·min-1。无论采用何种方案,由于摊铺机与拌和站生产能力是相互匹配的,因此,摊铺机摊铺能力为600t·h-1。


运输车辆在未经养生的新摊铺基层上行驶,应禁止掉头、紧急启动和紧急刹车,行驶速度应尽量保持低速,以避免轮胎与路面之间的水平力造成已摊铺基层的横向推移。因此,运输车辆应倒车驶入摊铺区域,等待卸料。相邻2辆运输车卸料时间相比传统分层摊铺所需时间略长,大概需要3~4min。在此期间,摊铺机摊铺20t混合料,因此每次卸料应至少补充20t混合料,即要求运输车的载质量至少为20t。对于施工现场常见的3轴运输车,轴重最低标准为120kN。


综上所述,16cm厚摊铺层上运输车辆轴载应限定为120~310kN,32cm厚摊铺层上限定为120~350kN。


双层连续摊铺碾压方案


双层连续摊铺过程中,碾压设备作用在上层顶面时,会对下层产生再压实效果,这对提高路面强度具有良好的效果;但是随着基层厚度的增加,压路机压实功衰减很大,并且下层已经拥有相当高的压实度,其提高空间很有限。在这种情况下,不应该一味追求下层的再压实效果而过分提高压路机吨位。


基于施工应力分析的压路机选择


双层连续摊铺底基层工况下,在上层作用较大吨位的压路机时,下层顶面正应力较大,相当于在下层再次用吨位较轻的压路机碾压1遍,因此上层碾压过程对下层具有一定的再压实效果。


本文采用模拟道路基层压实路面下层所受荷载,分析了压路机作用力为155,197,295kN时,16cm厚基层和32cm厚基层作用下的下层受力状态。压路机采用柳工CLG620H,轮迹接触面模拟为2.18×18cm的长方形,考虑半刚性基层响度尚未成型,其弹性模量接近级配碎石的模量,故选择弹性模量为1100MPa。


可知:当上层作用压路机作用力较大时,下层顶面的正应力相当于在下层顶面直接以吨位小一级的计算荷载进行碾压,因此随着作用在上层的压路机吨位的提高,下层受到的再压实应力不断提高。从提高下层再压实效果的角度出发,上层碾压时,增大压路机吨位有助于进一步改善下层压实度。


基于提高压路机使用效率的施工方案


上述水稳碎石连续摊铺施工方案是将下基层压实至规范规定的压实度后,再进行上层的摊铺和碾压。上述研究表明,碾压上层时,下层顶面虽然受到很大的顶面压应力,但是下层压实度已经达到很高,再压实效果不明显,造成压实功的浪费。本节从提高碾压设备使用效率的角度出发,讨论下层压实度控制在一定范围以提高碾压设备效率的可行性。


32cm厚底基层整体摊铺方案不适宜进行此类讨论。因为超过30cm的大厚度基层在压实过程中,顶部出现过压时底部压实度仍然略显不足,若降低顶部压实度以提高摊铺基层时压路机对底基层的再压实效果,很难保证底基层底部的压实度。因此,本节仅讨论16cm+16cm底基层连续摊铺工况下,提高碾压设备使用效率的可能性。为此,在施工现场进行如下试验:在下层压实的过程中,控制其压实度分别为75%、80%、85%、90%,然后摊铺上层,并对上层进行碾压。


可知,摊铺下层时,当其压实度达到85%时,由上层碾压时的再压实效果可将其提高至97%,高于规范要求的96%。由此可知,在双层连续摊铺过程中,对下层压实度的要求可适当降低,这一方面可以缩短下层碾压时间,另一方面提高了压实机械的使用效率。


基于流水作业法的双层连续摊铺施工组织设计


工艺流程


相对于基层分层摊铺,双层连续摊铺是指在第1层摊铺压实工作结束后,减少铺设土工布洒水养生的步骤,直接在未经养生的水稳基层上进行下一层的摊铺碾压,从而节约养生所带来的时间损耗。双层连续摊铺的施工顺序为:准备下承层→施工放样→混合料的拌和、运输→下承层的摊铺碾压→上基层的放样准备→上基层摊铺碾压→土工布洒水养生、7d龄期验收。


施工方案的选择


采用双层连续摊铺方法进行基层摊铺时,由于上基层摊铺机供料的要求,需要为其供料车队提供工作面,因此可采用2种施工方案:半幅施工和全幅施工。


方案1:半幅施工,在摊铺下基层时,摊铺机宽度调整为路面摊铺宽度的一半,另外半幅作为上基层供料车工作面,半幅施工完成后对基层进行养生,7d后摊铺剩余半幅,已摊铺部分作为供料车工作面。


方案2:全幅施工,在摊铺下基层时,采用并机或者大宽度摊铺,使摊铺机工作面宽度与路面宽度保持一致,摊铺3h后,摊铺机重新回到起点摊铺上层,新摊铺的下层为上层混合料运输车队提供工作面。


上述2种施工方案,各有利弊。


方案1:摊铺宽度为6m,厚度为0.16m+0.16m,混合料密度为2.5g·cm-3,2台拌和站生产能力均为600t·h-1,每天工作8h,可计算得到每天摊铺距离为2km。


方案2:摊铺宽度为12m,厚度为0.16m,混合料密度为2.5g·cm-3,2台拌和站生产能力均为600t·h-1,摊铺机拆装时间为2h,每天工作8h,可计算得到每天摊铺距离为1.5km。


可知:对于方案1,当工程规模小于16km时,每公里的平均工期大于1d,当工程规模大于16km时,每公里的平均工期等于1d,因此当工程规模大于16km时,采用方案1最经济。


对于方案2,每公里的平均工期始终为1.33d。采用方案1比较经济,当工程量小于8.2km时,采用方案2比较经济。考虑内蒙古省道203线基层连续摊铺段全长800m,且摊铺机设备不足,故决定采用方案2的摊铺方法进行。


工程应用混合料用量分析


项目连续摊铺段采用16cm厚底基层+16cm厚底基层双层连续摊铺和32cm厚底基层+18cm厚基层大厚度双层连续摊铺2种组合方案,每种方案铺筑长度为400m,全长800m,路面宽度11.25m。试验路摊铺机的摊铺速度为2.5m·min-1。根据以上基本数据可计算出工程各组合的混合料用量。基层混合料总需要量为2025t,底基层混合料总需要量为7200t。


施工进度控制标准及机械设备配置


根据研究分析,半刚性基层双层连续施工其混合料的施工量远高于普通基层施工,所以应根据摊铺机施工速度为标准对拌和站数量、施工车辆进行控制。


摊铺机的摊铺速度为2m·min-1,即每小时可以摊铺120m。摊铺厚度有16,18,32cm三种,混合料的平均密度2.5t·m-3。计算其摊铺能力分别为每小时摊铺540,608,1080t混合料。


拌和站设备


拌和站型号为WCB600型,即拌和能力为600t·h-1。考虑摊铺机的工作能力,即组合1需要1个拌和站,控制拌和速度为540t·h-1。组合2在底基层施工时需要2个拌和站同时工作,拌和速度同步为540t·h-1。基层施工时仅需1个拌和站工作即可,拌和速度控制为600t·h-1。


运输设备


施工现场采用的运输车为90t自卸车,平均每辆车可以装载65t混合料。拌和站距离施工现场平均运距5km,运输车行驶速度15km·h-1。计算可知每辆车每小时可以运输97.5t混合料。


考虑施工进度控制标准需要,组合1需要提供6辆运输车,组合2需要提供12辆运输车进行运输,为保证施工进度顺利,故组合1提供9辆运输车,组合2提供15辆运输车保证摊铺机前随时停留3辆运输车,从而保证摊铺机顺利工作。


摊铺设备


组合2要求摊铺机具有一次摊铺宽度为11.25cm、虚铺厚度为40cm的摊铺能力,项目采用中大DT1800摊铺机。


压实设备


组合2要求压实设备具有大激振力,以保证大厚度基层的压实效果,项目采用中大YZ32型振动压路机。


双层连续摊铺施工网络图


根据项目采用的2种不同方案,将整个试验路划分为2个施工段。每个施工段上包含3个主要工序:底基层混合料生产、基层混合料生产和基层摊铺。


依照网络计划技术、流水作业法的基本原理和保证路面摊铺连续进行的基本原则,以及根据施工中机械设备的配置,水泥稳定碎石用量等工程量的计算,对整个项目的路面摊铺进行施工组织设计。


结语


(1)通过对平整度扰动的控制及对施工混合料需求量的计算,提出了平整度控制方法及运输车辆限重标准。


(2)通过双层连续摊铺施工应力研究,得到了提高压路机使用效率的施工方案。当下层基层压实度达到85%以上时,即可进行下一层的摊铺。


(3)综合考虑拌和站生产能力、运输车运输量及摊铺机摊铺速度,提出了以摊铺机作为施工进度的控制标准,并对运输车辆数、拌和站数量提出了建议。


(4)结合实际,针对双层连续摊铺技术施工要求,制定了半刚性基层施工网络图及其施工组织设计标准,并在内蒙古省道203线施工段进行了验证,效果良好。


(5)本文对半刚性基层双层连续摊铺施工组织工艺进行了研究,对下基层水稳混合料强度增长水平研究尚未涉及。后续应加强对水稳混合料强度增长规律进行研究,以健全双层连续摊铺规范标准。


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标签: 施工知识 施工现场 施工标准

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