基于整體受力的寬幅大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術(shù)

成英才，盧新兵，李 夏，張帥帥，孫 強(qiáng)

(1.山東魯東路橋有限責(zé)任公司 東營市 257029；2.山東信誠公路工程監(jiān)理咨詢中心有限公司 東營市 257091；3.山東省交通科學(xué)研究院 濟(jì)南市 250102)

0 引言

水泥穩(wěn)定碎石是以級配碎石作骨料，按嵌擠原理攤鋪壓實(shí)，具有較高的強(qiáng)度、抗?jié)B性能和抗凍性能，是高級路面的理想基層材料。但是由于技術(shù)因素，在實(shí)際應(yīng)用中一般采用分層施工的方法，導(dǎo)致水泥穩(wěn)定碎石基層在使用過程中出現(xiàn)脫層、滲水等問題，甚至導(dǎo)致整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的損壞。

因此大厚度大寬度水泥穩(wěn)定碎石基層施工工藝成為解決這些問題的關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)外的學(xué)者對該施工技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。王擁己等[1]對大厚度大寬度水泥穩(wěn)定基層施工中的配套技術(shù)進(jìn)行了研究，建立了攪拌設(shè)備和壓實(shí)設(shè)備的匹配關(guān)系。梁亮[2]通過現(xiàn)場取芯等方法檢驗(yàn)了大厚度攤鋪工藝技術(shù)的實(shí)施。徐峰等[3]提出采用振動成型法施工大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層能夠縮短工期降低成本。李晉鵬等[4]研究了水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層在高速公路中的應(yīng)用，大厚度一次性攤鋪能夠提高水穩(wěn)基層的質(zhì)量。但路昭等[5]研究了不同水泥摻量下的水泥穩(wěn)定碎石的性能，提出振動拌和工藝能夠提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度、抗劈裂強(qiáng)度、抗沖刷等性能。劉文濤[6]、郭守見等[7]對大寬度大厚度水穩(wěn)層進(jìn)行了研究，提出了松鋪系數(shù)難以確定、邊部控制困難、壓實(shí)度檢測不準(zhǔn)確等問題。

以S309田高線廣北農(nóng)場至濱州界段改建工程為工程研究背景，采用寬幅大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層施工組織及施工工藝，系統(tǒng)研究寬幅大厚度水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工工藝及檢測方法，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行性能驗(yàn)證。

1 路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

S309田高線廣北農(nóng)場至濱州界段改建工程，路線起點(diǎn)位于S309田高線東營濰坊界處，終于S309田高線東營濱州界處，項(xiàng)目全長約30.2km。根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，道路基層采用18cm+18cm水穩(wěn)基層+18cm低劑量水穩(wěn)底基層。

水泥穩(wěn)定碎石寬幅大厚度施工技術(shù)隨著機(jī)械設(shè)備性能的不斷提升，越來越受到關(guān)注。單次鋪筑厚度大于20cm的水泥穩(wěn)定碎石基層宜采用大厚度鋪筑技術(shù)，為保證平整度及整體壓實(shí)度，單次鋪筑成型厚度不宜大于30cm，壓應(yīng)力與壓實(shí)厚度關(guān)系曲線如圖1所示。

為滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)與施工機(jī)械容許性能相匹配，結(jié)構(gòu)層組合由三層18cm水泥穩(wěn)定碎石基層優(yōu)化為上基層30cm水泥穩(wěn)定碎石+24cm下基層水泥穩(wěn)定碎石的組合配置，如圖2所示。同時(shí)，下基層混料級配范圍及性能指標(biāo)同上基層相統(tǒng)一，進(jìn)一步增強(qiáng)整個(gè)水泥穩(wěn)定碎石基層的整體性。

圖1 壓應(yīng)力與壓實(shí)厚度關(guān)系曲線

圖2 基層優(yōu)化結(jié)構(gòu)組合

2 配合比設(shè)計(jì)

要求水泥穩(wěn)定碎石的設(shè)計(jì)強(qiáng)度控制按基層設(shè)計(jì)強(qiáng)度不小于4.5MPa，底基層設(shè)計(jì)強(qiáng)度不小于3MPa。當(dāng)采用寬幅大厚度雙層連續(xù)攤鋪，一次全厚成型時(shí)，上下兩層宜按同樣標(biāo)準(zhǔn)控制，按照不小于4MPa控制，寬幅大厚度水泥穩(wěn)定碎石推薦級配見表1。

表1 寬幅大厚度水泥穩(wěn)定碎石推薦級配表

設(shè)計(jì)首先對原材料進(jìn)行篩分，均采用水篩法，并對原材料密度指標(biāo)進(jìn)行測試。通過對原材料基本性能的分析，級配設(shè)計(jì)過程參考了國內(nèi)進(jìn)行的同類型水泥穩(wěn)定碎石級配設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行級配設(shè)計(jì)，確定級配為石灰?guī)r20～30mm∶石灰?guī)r10～20mm∶石灰?guī)r5～10mm∶石灰?guī)r0～5mm =13∶40∶22∶25。

在級配設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，用設(shè)計(jì)的級配按照規(guī)范要求進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)確定不同水泥劑量的最大干密度和最佳含水量。擊實(shí)試驗(yàn)采用三組水泥劑量，分別為3.0%、4.0%、5.0%，每組水泥劑量采用五個(gè)含水量進(jìn)行擊實(shí)，分別為3.0%、4.0%、5.0%、6.0%、7.0%。并進(jìn)行不同水泥劑量的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測定，如表2所示。

表2 不同水泥劑量的無側(cè)限抗壓結(jié)果

通過試驗(yàn)可知，水泥劑量不小于4.1%的強(qiáng)度代表值大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度4.0MPa；根據(jù)公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則及設(shè)計(jì)要求，對于高速公路保證率95%，Za=1.645通過公式，并結(jié)合本項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)際情況，確定水泥劑量為4.5%，采用集中場拌時(shí)水泥劑量宜增加0.5%。最終采用的級配比例為，石灰?guī)r20～30mm∶石灰?guī)r10～20mm∶石灰?guī)r5～10mm∶石灰?guī)r0～5mm=13∶40∶22∶25，篩孔通過率如表3所示。

表3 合成級配表

3 關(guān)鍵施工工藝控制

3.1 高程控制

寬幅大厚度水泥穩(wěn)定碎石施工宜采用掛設(shè)鋼絲繩控制高程和平整度，具體方法如下：

(1)在下承層上每隔10m放出中樁和邊樁。

(2)打基準(zhǔn)鋼釬：在單幅路段兩側(cè)(中線及邊線側(cè))攤鋪邊緣外50cm處打入鋼釬，鋼釬上有可以上下調(diào)整的橫向支撐桿(雙層連續(xù)施工時(shí)需設(shè)置雙層支撐桿)，在鋼釬橫向支撐桿上綁扎直徑0.3mm鋼絲，鋼絲高度通過設(shè)計(jì)標(biāo)高和松鋪系數(shù)等數(shù)據(jù)確定，通過水準(zhǔn)儀按計(jì)算好的數(shù)據(jù)測完并固定好。

(3)架設(shè)的基準(zhǔn)鋼絲通過兩端的拉力鎖將鋼絲拉緊，一般情況下按大于800N的拉力將鋼絲拉緊。

3.2 攤鋪

寬幅大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層攤鋪過程控制要點(diǎn)如下：

(1)采用大功率攤鋪機(jī)單機(jī)全寬度攤鋪，按照設(shè)定松鋪系數(shù)調(diào)整攤鋪機(jī)熨平板高度，并將攤鋪機(jī)調(diào)整到正常攤鋪狀態(tài)。開始攤鋪后保證攤鋪機(jī)料槽內(nèi)料位高度，每攤鋪1m檢測一次攤鋪厚度，及時(shí)調(diào)整自動調(diào)平儀以保證攤鋪厚度。

(2)攤鋪前及攤鋪過程中保證有3～4車料的儲備以保證攤鋪的連續(xù)性；料車到達(dá)攤鋪現(xiàn)場后由專人指揮停車、倒車、卸料。

(3)攤鋪過程中應(yīng)經(jīng)常檢查攤鋪混合料的標(biāo)高，如超過誤差范圍應(yīng)緩慢調(diào)整傳感器；在攤鋪現(xiàn)場配有工人3～4名，隨時(shí)處理攤鋪后料的局部問題，同時(shí)現(xiàn)場和后場同時(shí)需要配備足夠的試驗(yàn)人員，隨時(shí)檢查現(xiàn)場含水量的變化情況，以及攤鋪后取料進(jìn)行篩分和配合比級配對比。

(4)攤鋪機(jī)需采取增設(shè)反向葉片、半葉片及橡膠擋板等抗離析措施。大厚度水泥穩(wěn)定碎石施工時(shí)，松鋪厚度較大，大粒徑石料極易滑落至底部，造成底部爛根。

3.3 碾壓

大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層全幅施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是壓實(shí)，壓實(shí)工藝碾壓組合方式和遍數(shù)遵循先輕后重、先慢后快、從低到高的原則，按照施工作業(yè)規(guī)范或作業(yè)指導(dǎo)書嚴(yán)格執(zhí)行，推薦碾壓組合方式見表4。

表4 推薦的碾壓方式組合

碾壓工藝如下：首先采用雙鋼輪壓路機(jī)靜壓一遍，然后兩臺單鋼輪采用高頻低幅分別弱震兩遍(小噸位壓路機(jī)在前)；再次兩臺單鋼輪采用低頻高幅強(qiáng)震兩遍(小噸位壓路機(jī)在前，期間采用膠輪壓路機(jī)交替揉搓)；繼而采用兩臺單鋼輪采用高頻低幅分別弱震兩遍；最后采用雙鋼輪壓路機(jī)收光碾壓。不同壓實(shí)厚度或者不同級配類型基層，根據(jù)試驗(yàn)段情況可酌情加減壓實(shí)遍數(shù)。

3.4 養(yǎng)生及交通管制

碾壓完成后，先進(jìn)行壓實(shí)度、厚度、平整度、寬度、標(biāo)高的檢測，經(jīng)檢驗(yàn)合格，基層表面稍干后，撒布透層乳化瀝青，局部撒布不到位的人工進(jìn)行找補(bǔ)。底基層采用覆蓋灑水養(yǎng)生方式，并應(yīng)注意覆蓋物不能因風(fēng)吹影響行車安全。

養(yǎng)生期間，封閉交通，禁止任何車輛進(jìn)入，施工機(jī)械使用施工便道。為控制交通，維持施工車輛通行，在施工安排上要合理地調(diào)配，工序上兩邊不能沖突，不要造成機(jī)械頻繁調(diào)動。

4 現(xiàn)場檢測

寬幅大厚度基層在碾壓完成后對上下基層分別采用灌砂法檢測壓實(shí)度，如圖3所示。檢測結(jié)果見表5，檢測結(jié)果表明上基層壓實(shí)度平均值為99.6%，下基層壓實(shí)度平均值為99.4%，上下基層壓實(shí)度均滿足設(shè)計(jì)大于98%的要求，合格率為100%。

圖3 現(xiàn)場壓實(shí)度檢測

表5 現(xiàn)場壓實(shí)度檢測數(shù)據(jù)

按規(guī)范養(yǎng)生7d后進(jìn)行現(xiàn)場取芯檢測，芯樣表面光滑無空隙，并且完整無斷層，如圖4所示。并將芯樣切開(上層30cm，下層24cm),做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。結(jié)果表明上基層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值為4.9MPa，下基層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值為5.0MPa，上下基層抗壓強(qiáng)度均滿足基層強(qiáng)度規(guī)范

圖4 基層取芯樣品

表6 基層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

要求，并且上下兩層數(shù)據(jù)相近，證明碾壓均勻。

5 結(jié)論

系統(tǒng)研究了基于整體受力的寬幅大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術(shù)，設(shè)計(jì)了配合比室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)上基層30cm水泥穩(wěn)定碎石+24cm下基層水泥穩(wěn)定碎石的組合配置能夠提高平整度及整體壓實(shí)度；下基層混合料級配范圍及性能指標(biāo)同上基層相統(tǒng)一，進(jìn)一步增強(qiáng)整個(gè)水泥穩(wěn)定碎石基層的整體性。

(2)級配設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果為：最優(yōu)級配為石灰?guī)r20～30mm：石灰?guī)r10～20mm：石灰?guī)r5～10mm：石灰?guī)r0～5mm=13∶40∶22∶25，水泥劑量為4.5%，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)高程控制、攤鋪和碾壓工藝是寬幅大厚度水泥穩(wěn)定碎石施工控制關(guān)鍵，上基層壓實(shí)度平均值為99.6%，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值為4.9MPa，下基層壓實(shí)度平均值為99.4%，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值為5.0MPa，均滿足規(guī)范要求，合格率為100%。