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4.9道路建设

4.9.1简介

好的运输道路是成功进行露天开采的关键。糟糕的设计不仅会使建造和维护道路的运输成本增高，还会造成安全隐患。本节将会讨论设计方面的一些基本问题。图4.113是一条道路的典型的横截面。

一般有4种不同的层面：路基，底基层，基层，面层。

路基是基础层。它是承受作用在面层上所有荷载的结构。在某些情况下，这个地层是简单的天然地层。在其他常见的情况下，路基则是构成路堑截面或路堤截面上层的压实岩土层。

面层不但可以提供牵引力，减少牵引阻力，抵抗磨损，破裂和剪切作用，还能将轮胎的压力传递给基层并防止地下水渗入基层。

基层是由一层稳定性和密实度很高的材料组成的。它的主要作用是将车辆荷载作用于路面时所产生的应力分散分布，使得它不会导致下基层产生过大的变形和位移。此外，它不但能避免下基层发生冻渗并保护工作面，还能防止下基层发生任何体积变化、膨胀、软化导致工作面破坏。

底基层一般在路基和基层之间，有时也可以去掉。底基层可以被应用于霜冻作用比较严重和路基承载力非常差的地区。从经济效益出发，它还可以应用于那些底基层材料比优质基层材料便宜的地区。一般来说，底基层由清洁的颗粒材料组成。底基层能排水，抗胀冻，防止路基的收缩和膨胀，增加结构的支撑作用并均匀分布荷载。

4.9.2道路断面设计

在道路断面设计中，首先要求出道路上运输设备的最大重量。为了更具体一些，假设运输卡车最大的汽车总重为200000 lbs，其中有效载荷为58st。荷载分布如下：33％作用在前轮胎，67％作用在双后轮胎。

作用在每个前轮的荷载是33000 lbs。对于四个后轮胎（2组双轮胎），每个后轮胎的荷载是33500 lbs。因此，面层上的最大荷载是后轮胎作用的。虽然车轮和路面之间的接触压力取决于轮胎充气压力和轮胎侧壁的刚度，但实际上，我们假定接触压力等于轮胎压力。对于这辆卡车，轮胎压力大约是90 psi，所以面层的承载压力是90 psi或12960 psf。在不知道或无法推测膨胀压力的条件下，Kaufman amp; Ault (1977)建议膨胀压力的取值为16000 psf（110 psi），正常情况下很少会超过这个值。轮胎的接触面积为

接触面积（）=

对于后轮胎

接触面积（）==372

虽然真正的接触面积接近椭圆形，通常简化后，接触面积的形状被认为是圆形。通常假定接触压力为均匀分布。因为

=372

所以轮胎接触面积的半径是r11 inch，压力的平均值是90 psi（12960 psf）。当一个轮胎下移，离开路面时，轮胎的作用力分布的区域的面积不断增大，层面承受的压力就会减少。简单起见，假设轮胎载荷的分布角度为45°。见图4.114.，在轮胎下面10 inches深度的位置，压力半径会增加到21 inches，压力会下降到24.7 psi（3560 psf）。然而，卡车有双后轮。轮胎的宽度约为22 inches，而每组轮胎的中心距约为27 inches。以几何图解的方式显示在图4.115中。

可以看出，层面承受每个轮胎的压力在一定区域内发生了叠加。沿着两个轮胎的分界线，观察到了最大影响的区域。随着轮胎的宽度，轮胎的分离情况和面层深度的改变，这种相互作用也会发生变化。考虑到这一点，Kaufman amp; Ault (1977)建议使用等效的单轮胎载荷（），这种载荷比单胎负荷（）高20％。因此，

=1.20times;

在卡车有效载荷为58 st的情况下，

=1.20times;3350040000 lb

底基层，基层和面层的组合厚度必须足够大，才能使底基层产生的压力不会引起底基层土层发生过大的变形和位移。

作为第一指南，可以将所需的面层压力与各种路基材料的承压能力进行比较。这些数据可见表4.6.

可以看出，任何比软岩更松散的路基需要额外的材料以建立稳定的基础。例如，如果路基是一个承载力为6000 psf的紧压砂土，那么要使用合适强度的基层/底基层材料去增加面层和路基的距离。使用之前已用的方法

Pi;times;6000=Pi;times;12960

所需的最小厚度为t5 inch

该技术通常用于确定工作面，基层和底基层的厚度，还包括加利福尼亚承载比（CBR）曲线的使用。CBR试验是一项用于确定公路建设中的聚合材料相对承载力的技术。

在这个试验中，将最大尺寸为3 / 4 inch的聚合材料放置在直径为6 in的金属模具中。为了将聚合材料压紧，反复将10 lb的重物从18 in扔下，并落在聚合材料。在聚合材料被压紧后，将一个底面积为3的圆柱体活塞以0.05英寸/分钟的速度推向材料表面。通过观察不同活塞压力下的穿透深度，来计算CBR值。例如，0.1或0.2 in深度的参考值为1000 psi或1500 psi。这些标准值代表的压力是通过观察高质量和级配良好的碎石等参考材料得来的。计算出的压力比率以百分号的形式表示，CBR值=压力比率times;100。图4.116显示了基于CBR值设计的曲线。各种车轮荷载作用下的CBR值和岩土类型有对应的基层厚度。为了展示这些曲线的应用，我们认为容量为58 st的卡车运行在路基材料为中等塑形粉质粘土（CBR=5）的道路上。有人发现CBR=5的线与轮胎载荷为40000 lb所对应的曲线相交于一点，这个交点相当于单轮荷载。将这个交点水平投影后发现，面层和路基之间所需的最短距离为28 inches。

CBR值为15的纯沙层可以作为底基层材料。但在多次试验后，人们发现底基层与面层的距离必须保持在14 inches以上。基层材料可以是CBR值为80的级配良好的碎石。轮胎载荷为40000 lb的曲线与CBR值=80的交点所对应的底基层厚度为6 inches。由于面层厚度为6 inches，所以基层上部与面层之间的距离为6 inches。如果实际中面层厚度比6 inches小，剩余的间距仅仅会导致基层厚度增加（CBR至少等于80）。最终结果显示在图4.117中（Kaufman amp;Ault,1977）。

在大多数露天矿，面层是由级配良好的碎石组成的。面层中最大的碎石也比基层中的碎石小。由于车辆荷载直接施加到骨料层，上部的骨料层必须具有足够的强度和抗车辙能力，以尽量避免过载，和车辙破坏。

在层内，骨料层还必须具有良好的耐磨性，以减少交通的磨损。对于面层，表4.7显示了一个可接受的骨料粒度分布（分级）。

颗粒的分级是由骨料中各粒级组分的分布决定的。一个良好的级配骨料包含着从最大到较小尺寸的所有粒级组分。这是为了使颗粒紧密连接以形成致密的表面。同时也存在级配很差的骨料，例如所有颗粒尺寸都大致相同。这种骨料也可以用来控制斜坡失稳，增大滚动阻力。只要在实验测量或者假设路基、基层或底基层材料的CBR值后，我们才能使用CBR曲线。利用CBR曲线是最经济的方式。CBR曲线可以直接显示路基土的总厚度。通过计算一系列相对薄层的含水量，可以得到所有底基层和基层的厚度。

4.9.3直线段设计

图4.118显示了矿山双线运输道路的典型横截面。可以看出有三个主要组成部分：车道宽度，安全护提，排水沟。

三个部分的宽度加起来即为道路的总宽度。直线段道路的宽度标准应参照最宽车辆来选取。1965年的农村公路设计手册建议在车道的两侧预留一定的宽度，这个宽度为车宽的一半。如图4.126所示，以12 ft宽的卡车为例。

表4.8中给出了其他卡车的宽度值。露天矿中所用的运输卡车宽度列于表4.9。

在露天矿中最常见的是双线道路，参照经验，道路的宽度应不小于四倍车宽（Couzens, 1979）：道路宽度ge;4times;车宽

一些矿山设置2条车道让上坡的重载车辆通过，对于下坡的空载车辆则设置单车道。按照经验公式，这条3车道的道路宽度为车宽的5倍。

在宽度设计中要遵循这些步骤（考夫曼和阿尔特，1977）：

1.确定通过运输道路的所有设备的宽度。

2.获得任何可能使用的新设备的尺寸数据。

3.确定任何情况下通过的设备组合的总宽度。

4.划定超宽路段的位置。

有些地方会出现车流合并的情况，例如附近有破碎机，这会使道路变宽。

为了排水，道路的表面稍有隆起，如图4.120。道路的横向坡度用坡高（inches）与坡宽（ft）的比值表示。大多数矿的道路是由沙砾和碎石构成的。在这种情况下，如果没有冰、泥危害，横坡坡度应为0.04。对于相对光滑的路面，如柏油路面，会导致水流过快或者冰、泥危害，合适的横坡坡度应为0.02。

对于单车道，使左边缘高于右边或右边缘高于左边是有必要的。对于三车道，同一方向的2个车道的横坡坡度应该保持连续。应该注意到的是，采用横坡坡度后会增加驾驶员的转向难度。因此，必须在排水和车辆的操作性能间寻求一个平衡。

4.9.4曲线段设计

对于直线段，左、右车辆的间隙应该是车辆宽度的一半。在曲线段情况下，由于两车会逼近且驾驶难度增加，间隙必须增大。对于不同车辆尺寸、车辆类型、道路类型组合,有不同的内半径函数关系。表4.10和4.11提供了设计宽度。由车辆的总重量和类型可以近似得到转弯半径，见表4.12。

例如，如果一个单组运输车的重量类别为3，最小内半径为100 ft，那么双车道的宽度应是65 ft。因此，曲线段会增加4 ft的宽度。车辆通过曲线时，受离心力的作用，车辆有向外运动的趋势。在平坦的表面，轮胎与路面产生的侧向摩擦力和重力的合力会与离心力抵消（图4.121）。

由于速度和半径变化，某些情况下离心力会等于或者大于阻力。这时，车辆会侧向打滑。为了帮助车辆在曲线行驶，弯道往往会抬高。这种弯道抬高被称为超高。选择合适的超高量（横坡度）可以消除离心力的影响。基本方程为 e f=

其中e是超高率（ft/ft）；f是侧摩擦系数；v是车速（mph）；R是曲线半径（ft）。如果f=0且驾驶员不提供转向力时，车辆会绕着弯道运行。如果驾驶员驾驶速度不同于设计中的速度，他将不得不转向上坡（速度太低）或转向下坡（速度太快）以保持行驶在设计的路径上。冰雪天气的条件下，在超高的弯道上行驶速度过慢，可能会导致车辆顺着坡滑下来。

表4.13按一定函数关系根据曲线半径和车速给出了超高率的推荐值。该表还可以根据半径和超高率给出一个安全的速度。

从正常横坡段进入超高段需要一定的距离来过渡。这就是所谓的超高过渡。它的目的是帮助驾驶员更容易进入曲线。过渡段的某些部分可以接入直线段和曲线段。这里使用的设计标准为1/3 inch的曲线和2/3 inch的切线。按函数关系，表4.14根据速度给出了横坡度的推荐值。

下面说明如何使用这张表。假设车辆以35 mph的直线速度向右行驶着，道路横向坡度为0.04，车辆遇到了左向弯道，弯道需要0.06的超高率。那么总的横向坡度为0.10（0.04 0.060。表中建议100 ft道路的横坡坡度改变量为0.05。因此超高过渡的全长为200 ft[（0.1/0.05）times;100=200]。那么三分之一的长度布置在曲线段上，三分之二的长度布置在直线段上。

4.9.5传统护堤设计

考虑到露天矿需要设置护堤/护栏，美国联邦法（MSHA，1992）提出了以下指导：

1. 由于台阶急剧下降，可能导致车辆倾覆或设备中人员伤亡。在台阶边缘需要修筑护堤或护栏。
2. 护堤或护栏的高度应至少是道路上运行最大设备的一半。
3. 护堤要有开口以便于排水。
4. 在一些特殊的情况下，例如某些高架道路仅仅用于维修、保养车辆，则不需要护堤和护栏。

这些护堤的目的是引导车辆在道路上行驶并远离道路边缘。护堤的作用主要是堤高决定的，此外还受堤面和堤面角的影响。护堤可以使失控的汽车停下来，或者让汽车进入特殊的逃生通道。护堤也有一个不利影响，车轮爬到堤面时可能导致车辆倾覆。

目前主要有两种常用的护堤设计。其中三角形或梯形护堤一般是由爆炸材料形成的。形成后，护堤两侧角度均为材料的休止角。第二种护堤是天然双面巨石。这些巨石排列在道路上，受到岩土和爆破废石的支撑。

对于三角形护堤，设计的经验是护堤高度必须等于或大于轮胎的静态滚动半径（SSR）。对于巨石护堤，护堤高度应大约等于轮胎高度。图4.122显示了静态滚动半径和车辆承载能力的关系。轮胎高度（TH）约等于：TH=1.05times;2times;SRR

4.9.6中间护堤设计

为了处理道路上刹车失灵的车辆，可以采用一些方法来降低车速，特别是重载车辆在长下坡时。目前最成功的方法就是使用中间护堤，也被称为“跨护堤”或“华勃塞”（Winkle，1976a，b）。这些护堤都是由沙子或其他一些细粒材料构成的。这些护堤的高度被设计用来阻碍车辆的运行。由于在现有的汽车范围内，道路表面至汽车底架的距离主要为2~3 ft，建立一个大障碍物反而会导致碰撞危险，这是没必要的。

在图4.123中，Kaufman amp; Ault (1977) 为中间平台的设计提供了指导。图中字母所对应的尺寸显示在表4.15和4.16中。车辆的类别是根据车辆的总重划分的。一旦卡车失控或者速度过快时，司机应该利用护堤和中间堤来减速。这种培训比平台设计本身更重要（Couzens, 1979）。

4.9.7运输道路的坡度

（Couzens, 1979）给出了一些运输道路坡度的经验法则。如下：

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