露天礦山超重載水泥混凝土路面設計研究

路海軍

（天津水泥工業設計研究院有限公司，天津 300400）

0 引 言

露天礦山道路上行駛汽車的規格隨露天礦山的生產規模和生產運輸設備的配備不同而異。在國外大型礦山工程中，大多采用的是單軸雙輪組礦用自卸汽車，如卡特彼勒、小松、別拉斯等品牌礦用汽車，載重量都可達到一百噸級。《公路水泥混凝土路面設計規范》是將荷載換算成100kN的單軸-雙輪組荷載作為標準荷載來進行設計計算的[1]。規范中，累計荷載作用次數超過2 000次以上即為特重交通情況。重載是引起水泥混凝土面板早期損壞的主要原因，它極易使水泥混凝土面板產生極限破壞，因此越來越多的國外工程重載道路的基層采用剛性材料，貧混凝土（Lean Concrete，簡稱LC）是由粗、細級配集料與一定水泥和水拌和而成的一種混凝土。這種混凝土的水泥用量較普通混凝土低，有時也稱經濟混凝土（Econcrete） ，與水泥穩定碎石、二灰碎石等常用半剛性材料相比，具有較高的強度、剛度和整體性，抗疲勞性能良好[2]。因此，本文擬從露天礦山重載道路設計的角度，開展對露天礦山特重交通荷載的道路結構設計研究，以沙特UACC項目礦山聯絡道路工程項目為背景，對重載交通進行參數分析、重載交通水泥混凝土路面結構組合及混凝土路面材料選取、厚度進行設計，滿足國內外工程要求，并為今后露天礦山混凝路面設計提供參考。

1 項目計算實例分析

沙特UACC水泥生產線項目礦山至廠區聯絡道路。業主要求卸料平臺聯絡段道路采用次高級水泥混凝土路面，礦車自重23t，載重32t。我方依據《公路水泥混凝土路面設計規范》JTG D40-2011結合露天礦山道路混凝土路面設計特點，擬定路面結構形式。

1.1 標準軸載計算

該項目的主要車型載重32t，滿載時總重55t，為單軸雙輪組。設計軸載250kN，最重荷載350kN。車輛的設計基準期內設計車道上設計軸載累計作用次數為218。根據該項目的工藝物料平衡計算可得到其年平均日運量和年平均日交通量。設計車道年平均日交通量為220輛。結合項目現場的實際情況，設計基準期取20年，輪跡橫向分布系數取0.39，不考慮交通量年均增長率，基準期內設計車道的設計軸載累計作用次數為1.18×1012次，屬于極重交通荷載等級。

1.2 初擬路面結構

安全等級二級的變異水平為中級，根據道路極重交通荷載等級和中變異水平，初擬普通混凝土面層厚度為36cm，貧混凝土基層厚24cm，級配碎石墊層厚30cm，面層和基層之間采用4cm厚的瀝青夾層，見圖1。

圖1 路面結構橫斷面圖

面層混凝土板尺寸為5m×4.75m，（見圖2），路面所用水泥混凝土標號為C30，混凝土道路的縮縫間距設為5m，橫向縮縫采用假縫，且加設傳力桿，傳力桿應采用光面鋼筋，傳力桿間距為450mm，最外邊的傳力桿距接縫或自由邊距離為150mm~250mm；縱縫采用貫通式平頭縫，相鄰兩板直接相接，板面不留縫槽，加縱縫拉桿，所用鋼筋全部采用I級鋼筋，拉桿采用螺紋鋼筋，拉桿間距為700mm，最外邊的拉桿距接縫或自由邊的距離為300mm~750mm；道路施工過程中，可以根據需要設置橫向脹縫；在板塊接縫處，板角不＜90°，板塊接縫邊長不＜1m。

圖2 混凝土路面接縫布置平面圖

1.3 混凝土道路結構計算流程

對混凝土道路結構設計計算流程進行簡化[3]，見圖3。

確定路面材料的參數：混凝土面層彎拉強度標準值5.0MPa，彎拉彈性模量31GPa，泊松比0.15，熱膨脹系數10×10-6℃；貧混凝土基層彎拉強度標準值4.0MPa，彎拉彈性模量14GPa，泊松比0.15。

圖3 貧混凝土基層道路厚度計算流程圖

經計算得到設計軸載在混凝土面層臨界位荷處應力以及貧混凝土基層臨界位荷處應力分別為1.68MPa和0.74MPa，最重軸載在混凝土面層臨界位荷處應力為1.68MPa，設計軸載在混凝土面層的荷載疲勞應力和貧混凝土基層的荷載疲勞應力分別為4.16MPa和2.04MPa，最重軸載在混凝土面層的荷載疲勞應力為3.37MPa。

通過計算得出凝土面層臨界位荷處的溫度疲勞應力以及最大溫度梯度時混凝土面層最大溫度應力分別為0.26MPa和0.96MPa。

1.4 極限狀態應力計算

在荷載疲勞應力和溫度應力計算結果的基礎上，對該項目道路的極限狀態應力進行校核，即得出：

因此，所選路面結構滿足車輛荷載和溫度梯度的綜合疲勞作用，以及最重軸載在最大溫度梯度時的一次極限作用。

1.5 不同路面形式極限狀態綜合應力對比

為進一步研究超重荷載下混凝土道路的設計特點及其與常規基層材料的區別，采用常規的半剛性材料水泥穩定粒料替代貧混凝土作為基層[4]，基層厚度為24mm時，對其進行荷載疲勞應力和溫度應力計算，混凝土面層荷載疲勞應力為4.25MPa，混凝土面層溫度疲勞應力0.1MPa，考慮可靠度系數后混凝土面層綜合疲勞應力為4.92MPa并將計算結果與貧混凝土基層道路的應力計算結果進行對比，見表1。對比結果顯示：兩種道路在設計軸載和最重軸載作用下，面層和基層的綜合應力均小于其材料彎拉強度標準值，表明上述兩種道路結構均能滿足設計要求。當基層厚度相同時，混凝土面層的厚度小于水泥穩定碎石基層厚度；而當滿足設計要求的面層時，采用貧混凝土基層溫度應力大于水泥穩定粒料。

表1 不同基層道路極限狀態綜合應力對比

2 結 論

本文研究了露天礦山超重荷載道路路面的設計方法和參數的選取，以沙特UACC項目為例，對混凝土路面結構橫斷面設計形式、接縫布置形式等進行了介紹，為今后在露天礦混凝土道路設計提供借鑒，并為超重荷載道路基層設計材料選擇提供參考。

參考文獻：

[1]JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面設計規范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[2]趙煒誠，許志鴻，黃文.混凝土面層與貧混凝土基層的層間作用對荷載應力和彎沉的影響[J].中國公路學報，2003，16（4）：9-15.

[3]祝云琪，凌建明.上海地區重載交通水泥混凝土路面面板設計厚度分析[J].公路工程，2009，34（4）：37-41.

[4]GBJ 22-87，廠礦道路設計規范[S].北京：中國計劃出版社，1987.