露天矿路面设计

作业三：露天矿道路路面结构综合设计已知条件：车型的选择：矿用重型自卸汽车3311E（85D），自重63200kg，载重85000kg，车宽5.54m；载重后轴分布：后桥66%，轮胎压力0.8MPa；每昼夜行车密度200次；道路取材：垫层承压层(基层)面层磨耗层露天矿天然砂砾、中细砂采矿毛石剥离物中的泥结碎石采用泥质砂岩土基E=25MPa本路为四级道路干线，设计寿命为5年；道路时间运用系数为=0.8，双车道运用系数为=0.5。规定：根据给定的条件绘制典型的路面结构示意图，1:100；用系数递推法、路面等效换算法分别算出路面总厚度和基层厚度；拟定路面宽度（全铺式，4倍车宽）；根据纵断面设计，绘制1:500道路横断面综合结构图。1.1概述路面是道路的重要组成部分，是在路基的顶部用各种材料或混合料分层铺筑的供车辆行驶的一种层状结构物。它直接承受车辆载荷和自然因素的作用。路面的性能影响行车速度、安全、舒适性和运送成本。因此，根据道路等级和任务，合理选择路面结构，精心设计，严格施工，使路面在设计使用年限内具有良好的使用性能，对节约投资、提高运送效益具有十分重要的意义。1.2路面结构组成1.2.1路面结构层位及功能行车载荷和自然因素对路面的作用和影响，随深度而递减。因此，对路面结构的强度、抗变形能力和稳定性的规定也随深度的增长而逐渐减少。根据这一特点，同时考虑到筑路的经济性，路面结构一般由各种不同材料分多层铺筑，各个层位分别发挥着不同的功能。通常将路面结构划分为磨耗层、面层、基层和垫层，如图1所示。1.2.1.1磨耗层磨耗层【wearingcourse】指的是面层顶部用坚硬的细粒料和结合料铺筑的薄结构层。其作用是改善行车条件，防止行车对路面的磨损，延长路面的使用周期。1.2.1.2面层面层是路面结构的最上层，直接与车辆载荷和大气相接触。与其它层次相比，面层应具有更高的强度、抗变形能力和较好的稳定性、平整度，同时应具有较好的耐磨性、抗滑性和不透水性。图1路面结构划分示意图1.2.1.3基层基层设立在面层之下，承受由面层传递下来的行车载荷，并将它扩散和传递到垫层和土基上。虽然基层位于面层之下，但仍然难以避免大气降水从面层渗入，并且还也许受到地下水的浸蚀，因此，基层除应具有足够的强度和刚度外，还应具有良好的水稳定性。同时为了保证面层的平整度，规定基层具有一定的平整度。1.2.1.4垫层垫层位于基层和土基之间，它的功能是改善土基的湿度和温度状况，保证基层和面层强度、刚度和稳定性不受土基的影响。同时垫层还将基层传递下来的车辆载荷进一步扩散，从而减小土基顶面的压应力和竖向变形。此外，垫层也能阻止路基土挤入基层。在地下水位较高的路基上，以及土质不良或冻深较大的路基上通常都应设立垫层。1.2.2路面断面型式和路拱1.2.2.1路面断面型式的分类路面断面型式分为槽式和全铺式两种，见图1，根据题意选用全铺式。1.2.2.2路拱横坡度路拱有直线型和抛物线型两种，见图2，露天矿道路一般采用直线型。为了及时排出路面上的积水，减少对路面的浸湿和渗透，路面表面应做成两边低、中央高的路拱。路拱坡度的大小一般受路面材料、路面宽度和地区降雨等因素的影响。低档路面，为了利于迅速排除路面积水，通常采用较大的路拱横坡和抛物线形路拱。各种不同类型路面的路拱平均横坡度值如表1所示。路拱横坡的具体选择，应考虑有助于行车平稳和路面排水的规定。在干旱和有积雪、浮冰地区，应采用低值；多雨地区采用高值。道路纵坡较大，或路面较宽，或行车速度较高，或经常有拖挂车行驶时用低值；反之，取用高值。路肩横坡度一般较路面横坡度大1%。为保证行车安全和保护路面边沿免受损坏，高级、次高级路面，宜设立与路面齐平或高出路面的路缘石和加固路肩。路缘石宽度一般为8~12cm，埋入深度不小于15cm，路肩和加固宽度一般为20~30cm，厚度为10~30cm。中级路面的路肩，可运用本地材料予以加固。图2路面断面型式a槽式；b全铺式图3路拱型式a直线型；b抛物线型各类路面的路拱横坡度表1路面类型路拱平均横坡度（%）沥青混凝土、水泥混凝土热拌沥青碎石、冷拌沥青碎（砾）石、沥青表面处治、整齐石块半整齐石块、不整齐石块碎（砾）石等粒料路面低档路面1.0～2.01.5～2.52.0～3.02.5～3.53.0～4.0注:1.在降雨量大的道路上，宜采用上限，在降雨量小或有积雪和冰冻的路段上，宜采用下限。2.在少雨地区，路肩横坡宜与路拱坡度相同。3.当露天矿道路路面上的雨水排泄条件良好时，可考虑不设路拱。根据已知选择路面断面型式分为全铺式，参见表1，路拱采用直线型，路拱横坡度2.5%，路肩横坡度3.5%。1.3对路面的规定为了保证道路全天候通车，提高行驶速度，增强安全性和舒适性，减少运送成本和延长道路使用年限，规定路面具有下述性能：1.3.1足够的强度和刚度汽车在路面上行驶，通过车轮把垂直力和水平力传递给路面，水平力又分为横向和纵向两种。此外，路面还受到车辆的振动力和冲击力的作用，在车身后面还会产生真空吸力。在上述各种外力的综合作用下，路面结构内会产生不同大小的应力、应变、假如这些应力或应变超过路面结构整体或某一组成部分的强度或抗变形能力，路面就会出现断裂、沉陷、车辙及波浪等病害，从而使路况恶化、服务水平下降。因此，规定路面结构必须具有足够的强度，同时应具有一定的刚度（即抵抗变形的能力）。1.3.2路面结构袒露在大气中，无时不受到温度和湿度变化的影响，其力学性能也就随之不断发生变化。强度和刚度不稳定，路况也就时好时坏。例如，砂石路面在雨季时，路面结构会因雨水渗入而强度下降，出现沉陷、车辙或波浪。在冰冻地区，温度和湿度的共同作用会使路面结构产生冻胀、翻浆破坏。因此，需要研究路面结构的温度和湿度状况及其对路面结构的影响，以便在此基础上修筑能在本地气候条件下具有足够稳定性的路面结构。1.3.3路面结构要承受车辆荷载的多次反复作用，由此而逐渐出现疲劳破坏和塑性变形累积；此外，温度、湿度、日照等自然因素的影响会使路面各结构层材料老化而导致破坏，这些都将缩短路面的使用寿命，增长养护工工作量和难度。因此，路面结构必须具有足够的抗疲劳和抗老化能力以及抗变形累积的能力。1.3.4路面平整度是影响行车安全、行驶舒适性和运送效益的重要指标。不平整的路面会增大行车的阻力，并使车辆产生附加的振动作用。这种振动会导致行车颠簸，影响行车的速度和安全、驾驶的平稳和乘客的舒适。同时，振动作用还会对路面施加冲击力，从而加剧路面和汽车机车的损坏，并增长油料的消耗。并且，不平整的路面还会积滞雨水，加速路面的破坏。不同等级的公路，对路面平整度得规定也不同。1.3.5路面表面规定平整度好，但不宜光滑。光滑的表面，导致行驶的车轮与路面之间的附着力和摩擦力较小，影响行车的安全性。特别是在雨天行车，或紧急制动，或爬坡、转弯时，车轮易产生空转或打滑，致使车速减少、油料消耗增长，甚至引起事故。1.3.6大气降水若通过路面表面渗入路面结构和路基内部，在高速行车载荷的反复作用下，这些水将产生很大的动水压力不断冲刷路面，使路面出现剥落、坑洞、唧泥和网裂的初期水破坏现象。为了避免路面水破坏，应尽量采用不透水的路面面层，设立路面排水设施或有效防水层。1.3.7汽车在路面上行驶，车身后面所产生的真空吸力会将表层中较细材料吸出而扬尘，导致路面松散、脱离，形成坑洞等破坏；扬尘还会加速汽车机件的损坏，影响行车视距，减少行车速度；并且，还会给环境带来不良影响。行车噪声一方面因路面平整度差、路面面层材料的刚度大而产生；另一方面与不良的线形设计导致车辆频繁的加速、减速、转向有关。因此，对于行车噪声和扬尘，应从道路工程的设计、施工、养护和管理方面统筹考虑，才干保证路面具有尽也许低的扬尘性和尽也许小的噪声。1.4路面的选择（应综合考虑下列因素）1.4.1.根据道路等级、运量、使用年限及车型选择路面等级，见表2；1.4.2.1.4.2.1防尘规定较高的生产区，其道路宜选用各种沥青路面。1.4.2.2跨越需要经常开挖检修的地下管线的路段，可选用预制水泥混凝土块路面或石块路面。1.4.2.3）经常通行履带车的道路，可选用碎石路面或石块路面。1.4.3.根据地区气候、土基状况、材料种类以及施工养护条件等，选择与之表2道路条件路面等级使用时间类型等级载重量≤35t载重量＞35t＞20235～20233～5年＜3年生产干线生产干线或支线生产支线或联络线生产支线或辅助线一、二一、二、三二、三三高级、次高级次高级、中级次高级、中级中级、低档次高级、中级次高级、中级次高级、中级中级注：1.一般情况下，等级高的、使用时间长的道路应采用等级高的路面；2.当采用60吨及以上的汽车时，在有足够养路机械和健全的养路组织的情况下，宜采用中级路面；3.＜3年栏中的低档路面，合用于北方地区、车型很小、交通量很少的辅助线上。一个露天矿中，不宜选用过多的路面种类。1.5柔性路面设计柔性路面【flexiblepavement】指的是刚度较小、抗弯拉强度较低，重要靠抗压、抗剪强度来承受车辆荷载作用的路面。总体结构刚度较小，在行车荷载作用下的弯沉变形较大，路面结构自身抗弯拉强度较低，它通过各结构层将车辆荷载传递给土基，使土基承受较大的单位压力，路基路面结构重要靠抗压强度和抗剪强度承受车辆荷载的作用。这样的路面叫柔性路面。柔性路面重要涉及各种未经解决的粒料基层和各类沥青面层、碎(砾)石面层或块石面层组成的路面结构。因沥青混合料在配合比设计中有空隙率的考虑，高温环境下，碎石作为骨架基本不动，其他的细微膨胀由预留的空隙消化，即使数年的路面，空隙完全闭合，膨胀量也可以由沥青上上发展消化。更重要的是柔性路面的“柔”，其自身就有一定的低温抗裂性能，这也是柔性路面优势之一，并且低温环境下发生的部分细微裂缝在高温环境下也能自身愈合。1.5.露天矿道路柔性路面的设计以交通部公路规划设计院1981.10编写的《行驶重型汽车柔性路面实际要点》（征求意见稿）为蓝本，并运用《公路柔性路面设计规范》（内部试行）中有关图表。它采用按典型结构及经验厚度与弯沉计算相结合的原则进行，环节如下：1.5.1.1根据道路类别、等级、设计使用年限、车型及年运量，拟定路面等级和类型。1.5.1.2修建方案根据露天矿规划及采矿设计，考虑路面结构是否分期修建以及拟定分期修建的方案。1.5.1.3技术措施和解决方法根据所在地区的水文、气象、地质、土壤等自然条件与路基状况，对对路基水湿状况不良的路段，拟定改善的技术措施和解决方法。1.5.1.4进行路基、路面的综合设计对的划分路基岩石类型（岩石、填石、碎石土、土质路基等），对的划分路基的干、湿类型（干燥、中湿、潮湿、过湿等）。1.5.1.5拟定路面的结构组合，进行结构设计。在保证结构具有规定的强度、稳定性、耐久性和便于备料、施工的得前提下，参照图4，拟定几种结构组合进行综合比较，选择技术先进、经济合理的结构组合法方案。1.5.2路面的结构设计对保证路面质量和减少造价有很大关系，因此，在进行路面结构设计时，须考虑下列技术经济原则。1.5.2.1因地制宜，就地取材。一般应尽量选用矿区岩石，经加工作为重要路面材料。1.5.2.2露天矿道路路面设计要按照“路基稳定，基层坚实，路面耐用”的原则将路基、垫层、底基层、基层、面层作为一个互相联系和互相制约的整体，充足发挥各结构的层的作用。针对露天矿车型大、水平推力强的特点，设计面层时，不应片面追求减薄面层，减少造价，而应保证面层有足够的强度和稳定性。1.5.2.3路面结构一般应按强度自上而下递减的方式组合，不宜有倒装结构相邻层间的模量比，面层与基层不宜大于3；基层、底基层各层间不宜大于5，基层（底基层）与土基在4~15范围之内。各结构层必须结合紧密而稳定，以保证结构的整体强度和应力传递的连续性。结构层厚度应综合考虑材料的性能，应力传布得效果和压实机具有的效能等，一般先拟定面层的类型和厚度，面层以下各层厚度，应视压力条件和需要而定。各结构层的最小厚度不宜小于表3规定。1.5.3露天矿道路常用路面的典型结构参见图4。使用时可根据实际情况予以调整，例如在潮湿的土基路段，为了防止翻浆，可在土基上设立石灰土垫层；附近有工业废渣供应，则可用以铺筑基层、底基层。当路基为土质时，典型结构中底基层厚度的拟定方法如下：1.5.3.1根据汽车类型、汽车载重、设计使用年限、年运量等因素，查表3，碎石路面的当量总厚度。1.5.3.2面层、联结层根据露天矿道路路面典型结构（图4），拟定面层、联结层的厚度。一般情况下，车型重，交通量大，采用高限，反之采用低限。图4矿山道路路面典型结构图a高级路面。--沥青混凝土或热拌沥青碎石混合料4~6cm；--冷拌沥青碎（砾）石或沥青贯入6~8cm；--表面油结碎石或泥灰结碎（砾）石15~20cm；--手摆片石。b次高级路面。--冷拌沥青碎（砾）石或沥青贯入4~10cm；--表面泥结碎石或泥灰结碎（砾）石15~20cm；--手摆片石。--沥青碎（砾）石表面处治3cm；--泥结碎（砾）石或泥灰结碎（砾）石15~20cm；--手摆片石。c中级路面。--泥结碎（砾）石或级配砾（碎）石10~20cm；--手摆片石或混铺块石。1.5.41.5.4.1参照表2，根据已知条件四级泥结碎石路面为中级路面。1.5.4参照图4，根据表3拟定采用如下路面结构：图5路基基础层面图1.5.4已知土基回弹模量E=25MPa，从表4可查出，Ⅰ区中湿路段，泥结碎石回弹模量值=245.2MPa。1.5.露天矿道路柔性路面厚度，采用以层状体系弹性理论为基础和路面表面允许回弹弯沉为强度标准的设计方法。1.5.5.1该路线的标准车为3311E（85D）。1.5.5.2计算标准车得累计通行量（辆）式中----标准车的总日交通量，辆/d；-----年生产日数，d；-----设计使用年限，年；-------道路时间运用系数；故=200×300×5×0.8=2.4×10辆结构层最小厚度表3结构层名称最小厚度/cm注沥青混凝土、热拌沥青碎石混合料粗粒式中粒式细粒式4.53.52.0单层最小厚度不涉及联结层得组合厚度冷拌沥青碎（砾）石、沥青贯入式沥青碎（砾）石表面处治沥青灰土表面处治4.51.02.0天然砂砾、级配、泥结碎（砾）石、水结、干压碎石6.0泥结碎（砾）石、级配碎（砾）石掺灰8.0灰土类（石灰土、碎石灰土、煤渣灰土等）、工业废渣8.0新路可增至15水泥稳定砂砾8.0砂姜石、碎砖等嵌锁型结构6.0块石、圆石或拳石10.0铺砌片石、锥形块石、大块石基层12.0路面材料回弹模量建议值，kg/cm表41.5.5.3计算允许回弹弯沉值（mm）式中----与面层类型有关的系数，相称于一次载荷作用下的允许回弹弯沉值其值见表5；----标准车单轮胎轮迹的当量圆直径，cm；=2=2×----标准车单轮胎轮迹的当量圆半径，cm；P----车轴一侧双轮载荷，kN；P=G×66%÷2p----轮胎接地压强，MPa；---解放牌CA-10B型汽车单轮胎轮迹的当量圆直径，cm，见表6；故=2×=76.05cm=3.03表5面层类型A沥青混凝土、热拌沥青碎石混合料沥青贯入、冷拌沥青碎（砾）石沥青碎（砾）石表面处治中级路面13.7115.2816.3319.32汽车的轮胎压力表6汽车型号轮胎规格载重/t总重/t单后轮重/t后轴数轮组数轮胎压力/MPad/cm/cm解放CA-10B9-1248.0251.52112519.549.771.5.5.4计算实际弯沉系数式中----土基回弹模量，MPa；----轮迹间隙修正系数，根据标准车的，比值从图6中查得；r-----标准车的轮隙中央至轮胎中心的距离，cm，查阅资料；----路面材料回弹模量，MPa，查表4