露天矿山超重载水泥混凝土路面设计研究

路海军

（天津水泥工业设计研究院有限公司，天津 300400）

0 引 言

露天矿山道路上行驶汽车的规格随露天矿山的生产规模和生产运输设备的配备不同而异。在国外大型矿山工程中，大多采用的是单轴双轮组矿用自卸汽车，如卡特彼勒、小松、别拉斯等品牌矿用汽车，载重量都可达到一百吨级。《公路水泥混凝土路面设计规范》是将荷载换算成100kN的单轴-双轮组荷载作为标准荷载来进行设计计算的[1]。规范中，累计荷载作用次数超过2 000次以上即为特重交通情况。重载是引起水泥混凝土面板早期损坏的主要原因，它极易使水泥混凝土面板产生极限破坏，因此越来越多的国外工程重载道路的基层采用刚性材料，贫混凝土（Lean Concrete，简称LC）是由粗、细级配集料与一定水泥和水拌和而成的一种混凝土。这种混凝土的水泥用量较普通混凝土低，有时也称经济混凝土（Econcrete） ，与水泥稳定碎石、二灰碎石等常用半刚性材料相比，具有较高的强度、刚度和整体性，抗疲劳性能良好[2]。因此，本文拟从露天矿山重载道路设计的角度，开展对露天矿山特重交通荷载的道路结构设计研究，以沙特UACC项目矿山联络道路工程项目为背景，对重载交通进行参数分析、重载交通水泥混凝土路面结构组合及混凝土路面材料选取、厚度进行设计，满足国内外工程要求，并为今后露天矿山混凝路面设计提供参考。

1 项目计算实例分析

沙特UACC水泥生产线项目矿山至厂区联络道路。业主要求卸料平台联络段道路采用次高级水泥混凝土路面，矿车自重23t，载重32t。我方依据《公路水泥混凝土路面设计规范》JTG D40-2011结合露天矿山道路混凝土路面设计特点，拟定路面结构形式。

1.1 标准轴载计算

该项目的主要车型载重32t，满载时总重55t，为单轴双轮组。设计轴载250kN，最重荷载350kN。车辆的设计基准期内设计车道上设计轴载累计作用次数为218。根据该项目的工艺物料平衡计算可得到其年平均日运量和年平均日交通量。设计车道年平均日交通量为220辆。结合项目现场的实际情况，设计基准期取20年，轮迹横向分布系数取0.39，不考虑交通量年均增长率，基准期内设计车道的设计轴载累计作用次数为1.18×1012次，属于极重交通荷载等级。

1.2 初拟路面结构

安全等级二级的变异水平为中级，根据道路极重交通荷载等级和中变异水平，初拟普通混凝土面层厚度为36cm，贫混凝土基层厚24cm，级配碎石垫层厚30cm，面层和基层之间采用4cm厚的沥青夹层，见图1。

图1 路面结构横断面图

面层混凝土板尺寸为5m×4.75m，（见图2），路面所用水泥混凝土标号为C30，混凝土道路的缩缝间距设为5m，横向缩缝采用假缝，且加设传力杆，传力杆应采用光面钢筋，传力杆间距为450mm，最外边的传力杆距接缝或自由边距离为150mm~250mm；纵缝采用贯通式平头缝，相邻两板直接相接，板面不留缝槽，加纵缝拉杆，所用钢筋全部采用I级钢筋，拉杆采用螺纹钢筋，拉杆间距为700mm，最外边的拉杆距接缝或自由边的距离为300mm~750mm；道路施工过程中，可以根据需要设置横向胀缝；在板块接缝处，板角不＜90°，板块接缝边长不＜1m。

图2 混凝土路面接缝布置平面图

1.3 混凝土道路结构计算流程

对混凝土道路结构设计计算流程进行简化[3]，见图3。

确定路面材料的参数：混凝土面层弯拉强度标准值5.0MPa，弯拉弹性模量31GPa，泊松比0.15，热膨胀系数10×10-6℃；贫混凝土基层弯拉强度标准值4.0MPa，弯拉弹性模量14GPa，泊松比0.15。

图3 贫混凝土基层道路厚度计算流程图

经计算得到设计轴载在混凝土面层临界位荷处应力以及贫混凝土基层临界位荷处应力分别为1.68MPa和0.74MPa，最重轴载在混凝土面层临界位荷处应力为1.68MPa，设计轴载在混凝土面层的荷载疲劳应力和贫混凝土基层的荷载疲劳应力分别为4.16MPa和2.04MPa，最重轴载在混凝土面层的荷载疲劳应力为3.37MPa。

通过计算得出凝土面层临界位荷处的温度疲劳应力以及最大温度梯度时混凝土面层最大温度应力分别为0.26MPa和0.96MPa。

1.4 极限状态应力计算

在荷载疲劳应力和温度应力计算结果的基础上，对该项目道路的极限状态应力进行校核，即得出：

因此，所选路面结构满足车辆荷载和温度梯度的综合疲劳作用，以及最重轴载在最大温度梯度时的一次极限作用。

1.5 不同路面形式极限状态综合应力对比

为进一步研究超重荷载下混凝土道路的设计特点及其与常规基层材料的区别，采用常规的半刚性材料水泥稳定粒料替代贫混凝土作为基层[4]，基层厚度为24mm时，对其进行荷载疲劳应力和温度应力计算，混凝土面层荷载疲劳应力为4.25MPa，混凝土面层温度疲劳应力0.1MPa，考虑可靠度系数后混凝土面层综合疲劳应力为4.92MPa并将计算结果与贫混凝土基层道路的应力计算结果进行对比，见表1。对比结果显示：两种道路在设计轴载和最重轴载作用下，面层和基层的综合应力均小于其材料弯拉强度标准值，表明上述两种道路结构均能满足设计要求。当基层厚度相同时，混凝土面层的厚度小于水泥稳定碎石基层厚度；而当满足设计要求的面层时，采用贫混凝土基层温度应力大于水泥稳定粒料。

表1 不同基层道路极限状态综合应力对比

2 结 论

本文研究了露天矿山超重荷载道路路面的设计方法和参数的选取，以沙特UACC项目为例，对混凝土路面结构横断面设计形式、接缝布置形式等进行了介绍，为今后在露天矿混凝土道路设计提供借鉴，并为超重荷载道路基层设计材料选择提供参考。

参考文献：

[1]JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面设计规范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[2]赵炜诚，许志鸿，黄文.混凝土面层与贫混凝土基层的层间作用对荷载应力和弯沉的影响[J].中国公路学报，2003，16（4）：9-15.

[3]祝云琪，凌建明.上海地区重载交通水泥混凝土路面面板设计厚度分析[J].公路工程，2009，34（4）：37-41.

[4]GBJ 22-87，厂矿道路设计规范[S].北京：中国计划出版社，1987.