露天礦山超重載水泥混凝土路面設(shè)計研究

路海軍

（天津水泥工業(yè)設(shè)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(guī)格隨露天礦山的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)運(yùn)輸設(shè)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(dá)到一百噸級。《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》是將荷載換算成100kN的單軸-雙輪組荷載作為標(biāo)準(zhǔn)荷載來進(jìn)行設(shè)計計算的[1]。規(guī)范中，累計荷載作用次數(shù)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(chǎn)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(xì)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(jīng)濟(jì)混凝土（Econcrete） ，與水泥穩(wěn)定碎石、二灰碎石等常用半剛性材料相比，具有較高的強(qiáng)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(shè)計的角度，開展對露天礦山特重交通荷載的道路結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，以沙特UACC項目礦山聯(lián)絡(luò)道路工程項目為背景，對重載交通進(jìn)行參數(shù)分析、重載交通水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)組合及混凝土路面材料選取、厚度進(jìn)行設(shè)計，滿足國內(nèi)外工程要求，并為今后露天礦山混凝路面設(shè)計提供參考。

1 項目計算實例分析

沙特UACC水泥生產(chǎn)線項目礦山至廠區(qū)聯(lián)絡(luò)道路。業(yè)主要求卸料平臺聯(lián)絡(luò)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(jù)《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》JTG D40-2011結(jié)合露天礦山道路混凝土路面設(shè)計特點，擬定路面結(jié)構(gòu)形式。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計軸載250kN，最重荷載350kN。車輛的設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)設(shè)計車道上設(shè)計軸載累計作用次數(shù)為218。根據(jù)該項目的工藝物料平衡計算可得到其年平均日運(yùn)量和年平均日交通量。設(shè)計車道年平均日交通量為220輛。結(jié)合項目現(xiàn)場的實際情況，設(shè)計基準(zhǔn)期取20年，輪跡橫向分布系數(shù)取0.39，不考慮交通量年均增長率，基準(zhǔn)期內(nèi)設(shè)計車道的設(shè)計軸載累計作用次數(shù)為1.18×1012次，屬于極重交通荷載等級。

1.2 初擬路面結(jié)構(gòu)

安全等級二級的變異水平為中級，根據(jù)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(jié)構(gòu)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(biāo)號為C30，混凝土道路的縮縫間距設(shè)為5m，橫向縮縫采用假縫，且加設(shè)傳力桿，傳力桿應(yīng)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(jù)需要設(shè)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(jié)構(gòu)計算流程

對混凝土道路結(jié)構(gòu)設(shè)計計算流程進(jìn)行簡化[3]，見圖3。

確定路面材料的參數(shù)：混凝土面層彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值5.0MPa，彎拉彈性模量31GPa，泊松比0.15，熱膨脹系數(shù)10×10-6℃；貧混凝土基層彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)計算得到設(shè)計軸載在混凝土面層臨界位荷處應(yīng)力以及貧混凝土基層臨界位荷處應(yīng)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(yīng)力為1.68MPa，設(shè)計軸載在混凝土面層的荷載疲勞應(yīng)力和貧混凝土基層的荷載疲勞應(yīng)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(yīng)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(yīng)力以及最大溫度梯度時混凝土面層最大溫度應(yīng)力分別為0.26MPa和0.96MPa。

1.4 極限狀態(tài)應(yīng)力計算

在荷載疲勞應(yīng)力和溫度應(yīng)力計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對該項目道路的極限狀態(tài)應(yīng)力進(jìn)行校核，即得出：

因此，所選路面結(jié)構(gòu)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(tài)綜合應(yīng)力對比

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

表1 不同基層道路極限狀態(tài)綜合應(yīng)力對比

2 結(jié) 論

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

參考文獻(xiàn)：

[1]JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)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(yīng)力和彎沉的影響[J].中國公路學(xué)報，2003，16（4）：9-15.

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

[4]GBJ 22-87，廠礦道路設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，1987.