垫层料的布料和碾压技术

由于库岸是坡长94m的1:1.7高陡边坡，采用自卸车、装载机、推土机、反铲等土石方工程机械布料效率很低，并且要辅以大量的人工作业;皮带机布料存在移动困难、局部堆积和效率低下等重大缺陷。

创新研究了自制牵引设备和布料小车，解决了陡坡垫层料施工技术难题。其关键技术措施是:

①布料。一种方案是采用牵引平台+摊铺机，施工可控，质量有保证，但成本很高;二是牵引平台+简易布料车，再辅以人工、机械相配合，宝泉、张河湾均采用此方法。

②加水。一般在布料前对垫层料进行预洒水，摊铺完成后碾压前在坡面再次洒水，洒水量根据试验控制;坡面洒水由软式水管引水人工在现场自上而下喷洒。

③碾压。采用牵引平台+斜坡碾，库岸上端、下端及与结构物结合处等部位辅以液压夯板，碾压参数由试验确定。对非平面部位，斜坡碾步进以宽缘端控制，确保不漏压;布料时可酌情先初压精平，再进行碾压，防止飘移。

3.5.3.1　斜坡碾碾压

(1)碾压机械选择。

根据施工现场情况，参考国内同行业施工单位经验，选用YZT10D多功能压路机(简称斜坡碾)。其主要技术参数见表3-17。

表3-17　YZT10D多功能压路机主要技术参数表

该机具有技术先进，制造精良，整体质量达到国内领先水平。主要用于大坝、渠道、高填筑公路、铁路的边坡及桥头部位的压实，解决了长期困扰施工单位的边坡及桥头压实难题，保证了施工质量，提高了施工效率，节约了成本。

(2)碾压参数确定。

根据设计质量要求，经碾压试验，获得如下施工参数:摊铺前对垫层料进行2%～3%的预洒水，垫层料一次摊铺(松铺厚度70cm)完成后，在坡面再次进行2%～3%的表面洒水并进行碾压，碾压机械为10t(激振力28t)斜坡碾，碾压8遍(碾压时向上振动，向下静压，一个上、下往复为一遍)，斜坡碾在坡面牵引行进速度小于2km/h，液压夯板辅助。如图3-53所示。

图3-53　库岸垫层料碾压施工图

3.5.3.2　自制布料小车布料

布料小车由I22工字钢、钢板和汽车轮制作，其容积根据牵引设备能力确定，在宝泉工程中我们制作了容积为4m3的小车，垫层料松方密度按1.7g/m3计，则载重量为6.8t，加上小车自重约1.5t，总重8.3t，与斜坡碾重量相当。布料时由3m3装载机喂料，人工开启小车出口闸门。出料强度及布料厚度由人工控制闸门开度进行灵活掌握，如图3-54所示。

图3-54　自制布料小车布料施工图

3.5.3.3　自制车载牵引平台

研究自制的车载牵引平台，是采用自卸车(3303B型包头，自重19.83t，载重25t)为载体，加装一台JG4型卷扬机(额定载荷40kN，容绳量340m，电机功率55kW)作为牵引装置。通过安装在车厢侧臂悬伸的独立支架式滑轮组将牵引钢丝绳转为4股，则整个牵引设备的牵引能力达到160kN，完全满足牵引10t斜坡碾要求。该牵引平台移动灵活方便，布料和碾压共用，如图3-55所示。

图3-55　自制车载牵引平台

(1)坡面参数

坡高h=791-743=48(m);

坡比1:1.7;

坡底宽S=81.6(m);

坡度角α=30°27';

斜坡长L=94.7m。

(2)斜坡碾受力分析与计算。

斜坡碾在斜坡上牵引振动状态下的受力如图3-56所示。

图3-56　斜坡碾受力分析图

斜坡碾重:G0=10(t)，G0(分解为垂直和平行于斜面分力F1、F2)

坡度阻力:Fα=G0×sinα=10×sin30o27'=5.067(t)

滚动阻力:Ff=μG0×cosα=0.24×10×cos30°27'=2.07(t)

惯性阻力:Fg=G0×V/g×t=0.4(t)

压实阻力:FfD=1/(3-n)(2n+2)/(2n+1)(n+1)×b1/(2n+1)(Kc/b+kΦ)1/(2n+1)(3G0/√D)(2n+2)/(2n+1)=0.27(t)

坡面支持力:N=Fn+Fj(N—压实力;Fn=F1;Fj—激振力)

空气阻力:Fw=Kw×AV2/3.62(V值太小可略去不计)

牵引力:Ft=Fα+Ff+Fg+FfD=5.067+2.07+0.4+0.27=7.8(t);牵引力取8t。

(3)牵引车辆选型。

碾压设备选定后，要解决牵引方式，目前采用较多是利用本单位现有的履带式机械(适当吨位的挖掘机、履带吊、推土机)和轮胎式机械(适当吨位矿用自卸车、装载机)进行工装改造。在选择和改制过程中应结合施工现场条件、边坡的坡比、工程量多少、工期长短、还应考虑改制成本等。

通过综合分析上述因素，根据车载电动卷扬机对车厢几何尺寸、结构及刚度等要求，在现有车型中选用3303B 矿用自卸车作碾压牵引设备的牵引车，其相关技术参数如表3-18所示。(www.xing528.com)

表3-18　3303B矿用自卸车主要技术参数表

(4)卷扬机的选择。

在车厢内加工制作卷扬机固定底座，将卷扬机固定在底座上。车厢一侧上部设一钢丝绳导向支架、导向轮，下部设一组定滑轮，被牵引的布料小车和YZT10D斜坡碾上设一组动滑轮，动滑轮与定滑轮均采用滚动滑轮。施工时采用钢丝绳牵引，如图3-57所示。

图3-57　牵引结构示意图

考虑与碾压设备时行走速度相匹配，选择滑轮组的形式及个数，来计算确定卷扬机速度;考虑卷扬机单股钢丝绳沿斜坡牵引最大拉力;安全系数，计算选择钢丝绳规格型号;考虑容绳量及钢丝绳的柔韧性等因素选择卷筒直径。最后确定卷扬机其主要技术参数如表3-19所示。

表3-19　JG4卷扬机主要技术参数表

(5)牵引设备的稳定性计算与分析。

不稳定性主要是侧面倾翻和侧向水平滑移。因此对抗倾翻和滑移进行计算与分析。

①侧面倾翻。

临界状态时应满足如下条件:Mt=Mp即:Ft1×H=P×L

Ft1—水平方向分力;

H—牵引点至地面的高度:要综合考虑牵引力与坡面夹角尽可能小，大跨距钢丝绳挠度，车斗侧板底离地高度(1.84m)及滑轮组的安装位置等因素;

L—轮距的一半(1.73m);P—牵引车重量。

牵引力—40×3=12(kN)滑轮组的连接为“三绳”

P=(H/L)×Ft1=(1.7/1.73)×12×cos30°27=(1.7/1.73)×10.35≈10(t)

(安全系数n取1.5)

则牵引车、卷扬机总重应为:Pz=10×1.5=15(t)＜20t(牵引车自重)

总重(牵引车自重加卷扬机自重)约23t，不会发生倾翻，所以是安全的。

②水平滑移。

水平分力为Ft1=12×cos30°27'=10.35(t)，一般情况下橡胶与路面摩擦系数μ=0.5～0.75，考虑雨天μ取0.5，则:Ff=μ×Pz=0.5×23=11.5(t)

取安全系数n=1.2，因n=Ff/Ft1则:Ff=1.2×10.35=12.42(t)

Pz=Ff/μ=12.42/0.5=24.84(t)，故需增加配重2t。P总为25t。

则滑动阻力:Ff=μ×Pz=0.5×25=12.5(t)﹥Ft1=10.35(t)

则滑动阻力Ff大于牵引拉力的水平分力Ft1，不会发生则向滑动，所以是安全的。

③配重选配。

配重可因地制宜选择旧链轨、石块等。考虑尽量降低牵引车辆的重心，配重可装配在牵引车的另一则面，这样既可起到增大抗倾翻力矩，还可以减少牵引侧轮胎压力，增大安全系数。

(6)滑轮组。

采用二(定)一(动)走三滑轮组。即在车斗侧板下方安装两个定滑轮组，斜坡碾牵引采用一个动滑轮。定、动滑轮直径的确定:

钢丝绳直径d=18mm，滑轮直径D≥h×d系数h值取18(GB/T3811-1983)。

D≥h×d=18×18=324(mm)，取滑轮直径为325mm，制成实体滑轮(D＜350mm)。

(7)卷扬导向臂架、导向滑轮。

①确定导向滑轮与卷筒的距离;

卷扬机卷筒宽度l=540mm，l1=l2=l/2=270mm;钢丝绳进出滑轮时的允许偏角(GB/T3811-1983)，取γ=4°;则:hmin=l1/tan4°=270/tan4°≈3863(mm)，取4m;

②卷扬导向臂架。依据导向滑轮与卷筒的距离及卷扬机的布置，确定卷扬导向臂架长度;采用变截面简易桁架结构并经过相关计算校核。与车斗采用铰支座连接;

③导向滑轮。考虑跑绳进入与拉出的夹角应尽量大一些，同时又要考虑加工及互换性，选择与滑轮组相同。

(8)自制牵引设备特点。

与传统的两台推土机组合、挖掘机改造等相比较，该牵引设备可以较好完成长斜坡作业，机动性好，效率高，且占用设备少，成本也相对较低。

在配重方式上采取侧面挂蓝配方式，使中心位置产生一定的偏移，既可以降低整个设备的重心，又可以增大抗倾翻力矩，增加设备稳定性和作业的安全性。

采用钢性拖架与斜坡碾铰接。可以克服钢丝绳柔性连接的缺点，控制斜坡碾钢筒在作业过程中，克服由于阻力不均造成的偏转，使得运动轨迹与牵引设备纵向基本保持垂直，既可以提高压实的质量和效果，又可以减少钢丝绳、滑轮组的磨损。以达到延长使用寿命，降低成本的目的。

研究自制的牵引设备，经过施工实践的检验，其运行稳定、安全、高效。