李泰灃,蔡德鉤,閆宏業(yè),包黎明，張新岡,呂 宋

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司，北京 100038;3.中國(guó)鐵路總公司 工程設(shè)計(jì)鑒定中心，北京 100844;4.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081；5.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100080)

高速鐵路要求高平順性和高安全性，進(jìn)而對(duì)路基的穩(wěn)定性和耐久性提出了極高要求。影響路基堅(jiān)固和穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一是路基含水率變化。路基的各種病害如翻漿冒泥、不均勻沉降、凍脹等，其發(fā)生和發(fā)展均與路基含水率的變化有關(guān)[1-2]。保證路基的堅(jiān)固和穩(wěn)定的首要任務(wù)是做好路基的防排水工作[3]。

我國(guó)高速鐵路基床表層的防水封閉層主要采用水泥混凝土材料，以纖維混凝土防水封閉層應(yīng)用最為廣泛，但其在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)了材料不規(guī)則開(kāi)裂，以及防水封閉層與軌道結(jié)構(gòu)之間存在縱、橫向結(jié)構(gòu)縫等問(wèn)題，極大地降低了纖維混凝土防水封閉層的防水效果，導(dǎo)致路基凍脹、翻漿冒泥等一系列問(wèn)題，進(jìn)而劣化軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)[4-5]。瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)在高速鐵路路基中具有整體化防水封閉、豎向剛度逐步過(guò)渡、改善應(yīng)力分布等優(yōu)勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的研究，取得了豐碩的研究成果，但在高速鐵路應(yīng)用領(lǐng)域尚需進(jìn)一步深化研究[6-7]。

我國(guó)地域遼闊、氣候條件復(fù)雜，而瀝青混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選型、施工控制等方面與氣候環(huán)境、區(qū)域特點(diǎn)均有較強(qiáng)相關(guān)性[8]。因此，本文依托京張高速鐵路瀝青混凝土試驗(yàn)段，沿軌道板縱向及結(jié)構(gòu)縫橫向埋設(shè)一系列高精度應(yīng)變傳感器，研究溫度荷載條件下瀝青混凝土沿線路縱向應(yīng)變分布規(guī)律，以及結(jié)構(gòu)縫局部范圍的應(yīng)變狀態(tài)及開(kāi)裂規(guī)律，進(jìn)一步完善我國(guó)高速鐵路瀝青混凝土的設(shè)計(jì)方法及標(biāo)準(zhǔn)體系。

1 溫度效應(yīng)試驗(yàn)研究

本次模型試驗(yàn)的主要目的是研究溫度荷載作用下高速鐵路全斷面瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)板間拉伸效應(yīng)及其演變規(guī)律。針對(duì)高速鐵路瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)體系主要失穩(wěn)模式和軌道結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)造成的被動(dòng)拉伸損壞，開(kāi)展京張高速鐵路瀝青混凝土試驗(yàn)段溫度荷載試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)全斷面瀝青混凝土防水封閉層應(yīng)變分布特征，分析混凝土底座板結(jié)構(gòu)縫處溫度效應(yīng)的影響。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)尺模型試驗(yàn)，可真實(shí)掌握瀝青混凝土在溫度荷載作用下的應(yīng)變水平和受力變形特性，驗(yàn)證仿真分析結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。

1.1 傳感器布設(shè)及安裝

試驗(yàn)縱向鋪設(shè)3塊底座板。綜合考慮3塊底座板傳感器安裝條件，在不重疊布設(shè)傳感器的情況下盡可能提高傳感器對(duì)3塊底座板的覆蓋率。傳感器總體布設(shè)如圖1所示。A1橫向結(jié)構(gòu)縫范圍內(nèi)傳感器的布設(shè)如圖2所示。各類傳感器功能見(jiàn)表1。

圖1 傳感器總體布設(shè)(單位：mm)

圖2 A1橫向結(jié)構(gòu)縫范圍內(nèi)傳感器布設(shè)示意(單位：mm)

傳感器類型測(cè)試內(nèi)容振弦式表面應(yīng)變計(jì)靜態(tài)應(yīng)變分布式光纖光柵應(yīng)變計(jì)靜態(tài)應(yīng)變電阻式應(yīng)變片動(dòng)態(tài)應(yīng)變光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變表面裂縫計(jì)伸縮變形溫度計(jì)環(huán)境溫度

按照設(shè)計(jì)，將光纖光柵式應(yīng)變傳感器安裝在上述標(biāo)記位置。將傳感器接入解調(diào)儀，拉伸傳感器的活動(dòng)端，通過(guò)解調(diào)儀讀數(shù)來(lái)施加一定的預(yù)應(yīng)力，并將傳感器活動(dòng)端快速安裝在底板上，然后安裝壓片，固定好傳感器。將傳感器串聯(lián)，通過(guò)解調(diào)儀觀察不合理的地方，做出適當(dāng)調(diào)整。將調(diào)整后的傳感器接入監(jiān)測(cè)室解調(diào)儀，并用彩鋼板封裝保護(hù)，防止意外破壞。

1.2 溫度效應(yīng)試驗(yàn)分析

試驗(yàn)從2018年3月4日15:34開(kāi)始測(cè)試。經(jīng)查詢3月4—6日，每天的最低氣溫出現(xiàn)在早晨6:00—8:00，最高氣溫出現(xiàn)在14:00—16:00。

以開(kāi)始時(shí)刻為基準(zhǔn)，瀝青混凝土防水層應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如圖3所示。路肩、線間兩側(cè)A1,A2處均有應(yīng)力集中。其中南北兩側(cè)A1,A2處為底座板結(jié)構(gòu)縫，A2處設(shè)有復(fù)合土工膜。

圖3 瀝青混凝土防水層應(yīng)變

從圖3可知:①瀝青混凝土層應(yīng)變隨溫度存在波動(dòng)，路肩、線間兩側(cè)A1,A2處均有應(yīng)力集中情況，應(yīng)變達(dá)到(500～1 000)×10-6。隨著溫度降低相鄰混凝土底座板結(jié)構(gòu)縫附近的瀝青混凝土層受拉，隨著溫度升高瀝青混凝土層受壓。當(dāng)溫度降低時(shí)混凝土底座板收縮，由于底座板與瀝青混凝土層存在著黏結(jié)力，混凝土底座板收縮導(dǎo)致結(jié)構(gòu)縫處瀝青混凝土防水層受拉。溫度升高時(shí)作用剛好相反。②A2處的應(yīng)變峰值小，A1處應(yīng)變峰值大，原因是A2處混凝土底座板與瀝青混凝土層之間鋪有復(fù)合土工膜，減小了混凝土底座板與瀝青混凝土層之間的作用力。結(jié)構(gòu)縫鋪設(shè)復(fù)合土工膜處的瀝青混凝土層應(yīng)變較沒(méi)有鋪設(shè)復(fù)合土工膜處減小約60%。③A2處的應(yīng)變分布范圍較廣(結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)左右各2 m)，A1處應(yīng)變分布范圍較小(結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)左右各1 m)，原因是A2處混凝土底座板與瀝青混凝土層之間鋪有復(fù)合土工膜，擴(kuò)大了應(yīng)變的作用范圍。

1.3 溫度效應(yīng)驗(yàn)證

關(guān)鍵部位的瀝青混凝土層應(yīng)變隨溫度的變化見(jiàn)圖4。

圖4 關(guān)鍵部位瀝青混凝土層應(yīng)變隨溫度的變化

當(dāng)溫度升高時(shí)，混凝土底座板B中心的瀝青混凝土應(yīng)變變大，溫度降低時(shí)其應(yīng)變變小，如圖4(a)所示。A1,A2處瀝青混凝土層的應(yīng)變變化與混凝土底座板B中心相反。當(dāng)溫度升高時(shí)混凝土底座板發(fā)生熱脹現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)縫處瀝青混凝土層被壓縮，應(yīng)變變小，溫度降低時(shí)應(yīng)變變大，如圖4(b)所示。

與A1,A2處類似，位于混凝土底座板底座板C1,C2板端的瀝青混凝土層亦隨溫度升高應(yīng)變降低，隨溫度下降溫度升高。只是受單塊混凝土底座板影響，應(yīng)變變化較小，而板端處的應(yīng)變與板端外2 m處的應(yīng)變規(guī)律相反，隨溫度升高而升高，如圖4(c)所示。這說(shuō)明混凝土底座板的熱脹冷縮對(duì)瀝青混凝土層的影響范圍有限，均出現(xiàn)在端部。

2 溫度效應(yīng)仿真分析

首先對(duì)公路用瀝青及瀝青混合料氣候分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)研，并通過(guò)理論分析得出我國(guó)鐵路瀝青混合料工程應(yīng)用的氣候分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。將氣候分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)和軌道溫度標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，確定模型中施加的極端溫度荷載。再根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果分析復(fù)雜溫度條件下瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)層相應(yīng)的力學(xué)指標(biāo)，確定最優(yōu)斷面，為實(shí)際的施工鋪設(shè)提供理論依據(jù)。

仿真分析中，靜力評(píng)判指標(biāo)主要參考了TG/GW 115—2012《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則》對(duì)于軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差高低管理值的規(guī)定。動(dòng)力評(píng)判指標(biāo)主要參考TB 10716—2013《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》對(duì)無(wú)砟軌道相關(guān)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的規(guī)定[9-10]。

溫度場(chǎng)區(qū)域劃分的目的是指導(dǎo)軌道結(jié)構(gòu)(縱連式和單元式無(wú)砟軌道)的設(shè)計(jì)選型、施工和養(yǎng)護(hù)維修，因此需綜合考慮各個(gè)地區(qū)的高溫、低溫及實(shí)測(cè)溫度梯度，以綜合性、簡(jiǎn)便性和實(shí)用性作為劃分原則。對(duì)于某種形式的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)和維修中還應(yīng)側(cè)重考慮結(jié)構(gòu)的敏感因素。

2.1 模型建立

采用有限元軟件ABAQUS建立瀝青混凝土軌道結(jié)構(gòu)的有限元模型。模型采用3層結(jié)構(gòu)，以京張高速鐵路現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的尺寸為基礎(chǔ)，開(kāi)展變參數(shù)分析。從上到下依次為支承層、瀝青混凝土層、級(jí)配碎石層。模型兩端采用縱向約束條件，模型底部采用固定邊界條件?？紤]到瀝青混凝土與底座板的黏結(jié)作用，底座板和瀝青混凝土層采用黏彈性模型，瀝青混凝土與級(jí)配碎石層接觸關(guān)系法向采用硬接觸，切向采用庫(kù)倫摩擦模型。

支承層采用C40鋼筋混凝土，寬 3 400 mm，長(zhǎng) 19 200 mm，厚 300 mm。底座板間縫寬20 mm。瀝青混凝土層厚80 mm，級(jí)配碎石層厚600 mm。各層結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)見(jiàn)表2[10-11]。

表2 各層結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

模型中涉及到的熱力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。計(jì)算中考慮了我國(guó)寒區(qū)典型城市(哈爾濱、張家口、蘭州等)全年溫度變化及每日溫度波動(dòng)，溫度效應(yīng)已通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得以驗(yàn)證，具有較高的準(zhǔn)確性。

表3 材料熱力學(xué)參數(shù)

黏彈性模型采用廣義Maxwell模型。此模型簡(jiǎn)單直觀，能夠很好地反映瀝青混合料的變形特性。ABAQUS里采用的Prony級(jí)數(shù)模型與廣義Maxwell有相同的數(shù)學(xué)描述，故采用Prony級(jí)數(shù)模型來(lái)描述瀝青混凝土的黏彈性特性。Prony級(jí)數(shù)模型的參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 Prony級(jí)數(shù)模型參數(shù)

2.2 受力特性分析

在模型邊界施加現(xiàn)場(chǎng)獲得的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行熱力耦合計(jì)算。計(jì)算過(guò)程中某一時(shí)刻云圖如圖5所示。

圖5 瀝青混凝土層縱向應(yīng)力(單位：Pa)

由圖5可知：瀝青混凝土層在支承層的結(jié)構(gòu)縫對(duì)應(yīng)處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。該處瀝青混凝土層的縱向應(yīng)力超過(guò)了其他位置。

結(jié)構(gòu)縫處瀝青混凝土層縱向應(yīng)力、應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖6。

圖6 瀝青混凝土層縱向應(yīng)力、應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線

由圖6可知：底座板的縱向應(yīng)變與該地區(qū)溫度變化具有一致性，同時(shí)瀝青混凝土層結(jié)構(gòu)縫處的縱向應(yīng)力與底座板結(jié)構(gòu)縫處的縱向應(yīng)變具有一致性?？梢耘袛酁r青混凝土層結(jié)構(gòu)縫處的受力與底座板密切相關(guān)，底座板的縱向伸縮帶動(dòng)了瀝青混凝土變形，使得結(jié)構(gòu)縫處的瀝青混凝土層成為敏感區(qū)。

瀝青混凝土層在溫度效應(yīng)下的縱向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系見(jiàn)圖7。可見(jiàn)，瀝青混凝土層應(yīng)變與應(yīng)力之間存在一定“類線性”關(guān)系，但隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，同時(shí)存在溫度疲勞的現(xiàn)象。

2.3 各工況計(jì)算結(jié)果

為了驗(yàn)證瀝青混凝土層的應(yīng)力集中處是否和支承層的變形有關(guān)，修改支承層和瀝青混凝土層的相互作用參數(shù)，在支承層結(jié)構(gòu)縫處的兩側(cè)設(shè)置摩擦因數(shù)較小的工況，實(shí)際施工中可以采用復(fù)合土工膜滑動(dòng)層。結(jié)果如圖8所示。

圖8 瀝青混凝土層縱向應(yīng)力(復(fù)合土工膜左右各1 m;單位：Pa)

通過(guò)與圖5的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土層的受力有了明顯的減小，且縱向應(yīng)力在鋪設(shè)復(fù)合土工膜的區(qū)域內(nèi)均勻分布。可以證明瀝青混凝土層的受力與底座板的變形密切相關(guān)。為了確定瀝青混凝土層的最佳鋪設(shè)范圍以及層間摩擦因數(shù)對(duì)瀝青混凝土受力的影響，需進(jìn)行多種工況的計(jì)算。依次改變復(fù)合土工膜的鋪設(shè)范圍以及復(fù)合土工膜間的摩擦因數(shù)，觀察瀝青混凝土層受力的變化。

2.3.1 改變?yōu)r青混凝土層與級(jí)配碎石層接觸關(guān)系

瀝青混凝土層與級(jí)配碎石層接觸，二者之間也存在著相互作用。因此瀝青混凝土層與級(jí)配碎石層的接觸關(guān)系影響瀝青混凝土層的受力。改變?yōu)r青混凝土層與基床表層的摩擦因數(shù)，并考慮綁定約束的情況進(jìn)行多種工況分析，結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知，改變?yōu)r青混凝土層與級(jí)配碎石層的接觸關(guān)系對(duì)瀝青混凝土層的受力變形沒(méi)有明顯影響，這主要與法向壓力較小有關(guān)。從綁定約束的情況可以看出瀝青混凝土層的受力明顯改善，所以在實(shí)際中應(yīng)該盡可能提高瀝青混凝土層與級(jí)配碎石層的相互作用。

表5 瀝青混凝土層與級(jí)配碎石層接觸關(guān)系對(duì)瀝青混凝土層應(yīng)力、應(yīng)變的影響

在瀝青混凝土層與級(jí)配碎石層綁定的條件下，增設(shè)復(fù)合土工膜會(huì)大幅度改善瀝青混凝土層的受力，如圖9所示?？梢?jiàn)，不僅瀝青混凝土層的受力明顯減小，而且瀝青混凝土層的受力最大區(qū)域有所轉(zhuǎn)移，集中在復(fù)合土工膜的邊緣，不再是僅集中在底座板結(jié)構(gòu)縫所對(duì)應(yīng)的位置處。

圖9 綁定條件下瀝青混凝土層縱向應(yīng)力(復(fù)合土工膜左右各1 m;單位：Pa)

綜上所述，在底座板結(jié)構(gòu)縫兩端增設(shè)復(fù)合土工膜、增強(qiáng)瀝青混凝土層的級(jí)配碎石層的界面強(qiáng)度、提高級(jí)配碎石層的彈性模量均有利于改善瀝青混凝土層的受力。其中增設(shè)復(fù)合土工膜這種措施的改善效果最好。

2.3.2 改變復(fù)合土工膜層間摩擦因數(shù)

復(fù)合土工膜區(qū)域法向采用硬接觸，切向摩擦因數(shù)改為0.3進(jìn)行計(jì)算。復(fù)合土工膜鋪設(shè)范圍均為1 m，經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土層的縱向最大應(yīng)力為0.24 MPa，與摩擦因數(shù)0.1相比略微增大，但變化不明顯，這主要與法向壓力較小有關(guān)。僅改變復(fù)合土工膜層間的摩擦因數(shù)對(duì)瀝青混凝土層的受力并無(wú)明顯的影響。

2.3.3 改變復(fù)合土工膜鋪設(shè)范圍

擬在底座板結(jié)構(gòu)縫處兩邊各鋪設(shè)0.5，1.0，1.5 m的復(fù)合土工膜，如圖10中心區(qū)域。該區(qū)域接觸關(guān)系法向定義為硬接觸，切向摩擦因數(shù)為0.1。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

圖10 復(fù)合土工膜分布范圍

瀝青混凝土層與級(jí)配碎石層摩擦因數(shù)復(fù)合土工膜鋪設(shè)范圍最大應(yīng)變/10-6縱向最大應(yīng)力/MPa0.90.01 000.00.700.90.5500.00.350.91.0300.00.220.91.5150.00.12

由表6可知：復(fù)合土工膜的鋪設(shè)范圍對(duì)瀝青混凝土的受力和變形有很大的影響;隨著鋪設(shè)范圍的增加，瀝青混凝土層的縱向應(yīng)力減小。應(yīng)變降幅與復(fù)合土工膜鋪設(shè)范圍的關(guān)系見(jiàn)圖11。

圖11 應(yīng)變降幅與復(fù)合土工膜鋪設(shè)范圍的關(guān)系

建議在混凝土底座板與瀝青混凝土層之間，混凝土底座板結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)各1.2 m范圍鋪設(shè)復(fù)合土工膜，與混凝土底座板等寬鋪設(shè)，如圖12所示。

圖12 鋪設(shè)復(fù)合土工膜構(gòu)造措施示意(單位：mm)

3 結(jié)論及建議

1)溫度效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)縫處瀝青混凝土層的應(yīng)變較大，冬季最大應(yīng)變基本在(500～1 000)×10-6，且隨溫度變化，具有較強(qiáng)的溫度敏感性。

2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，溫度效應(yīng)是造成底座板結(jié)構(gòu)縫處瀝青混凝土層受迫拉伸的主要原因；在瀝青混凝土表面底座板結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)鋪設(shè)復(fù)合土工膜可顯著降低瀝青混凝土表面與底座板之間的摩擦，有效改善瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，可將原有拉伸應(yīng)變減小約60%。

3)數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，在瀝青混凝土層上表面底座板結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)鋪設(shè)復(fù)合土工膜，可以有效改善底座板結(jié)構(gòu)縫附近瀝青混凝土層的應(yīng)變情況。當(dāng)?shù)鬃褰Y(jié)構(gòu)縫兩側(cè)各鋪設(shè)1.2 m的復(fù)合土工膜時(shí)，原有拉伸應(yīng)變降低幅度為60%左右，與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果一致。

4)瀝青混凝土層的拉伸應(yīng)變隨復(fù)合土工膜鋪設(shè)范圍的增加而增大，鋪設(shè)范圍宜在1.0～1.5 m，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件和軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，以保證瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)的綜合效果及服役性能。