劉嵩，陳先華，楊軍，楊國濤，蔡德鉤

(1.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京211189；2.中國鐵路總公司，北京100844；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京100081)

有砟軌道是鐵路工程中最為常見的軌道結(jié)構(gòu)類型，自發(fā)明以來其結(jié)構(gòu)形式并未發(fā)生較大的改變。隨著列車運(yùn)行速度的提高和通行車次的增加，普通有砟軌道暴露出諸多缺點(diǎn)和不足，包括路基承載力下降，日常維護(hù)工作量大，維護(hù)費(fèi)用高等[1-4]。近年來，瀝青混凝土在有砟軌道結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注，瀝青混凝土作為支承層置于道砟層下方，即用作底砟層，在日本及歐美國家的實(shí)際工程應(yīng)用中取得了較好的應(yīng)用效果。瀝青混凝土是由瀝青膠結(jié)料和礦料黏結(jié)形成的一種較為常見的工程材料，具有承載能力強(qiáng)、抗裂性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于道路工程、水壩工程等領(lǐng)域。奧地利最早于1963年修建了一段瀝青混凝土底砟層試驗(yàn)段，建成后維修非常少，取得了較好的使用效果[4]。隨后，意大利、美國、日本、西班牙和法國等國家先后對(duì)瀝青混凝土底砟層的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究和實(shí)踐。各國的研究結(jié)果及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)均表明，瀝青混凝土底砟層能夠滿足現(xiàn)代鐵路軌道的要求，是提高有砟軌道使用性能、延長使用壽命的有效措施[3,5-7]。目前瀝青混凝土底砟層已經(jīng)在日本、意大利、法國等國的普通鐵路及高速鐵路有砟軌道中得到了大規(guī)模應(yīng)用，并形成了較為完善的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和性能評(píng)價(jià)體系。本文總結(jié)了瀝青混凝土底砟層在世界范圍內(nèi)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)瀝青混凝土底砟層的結(jié)構(gòu)和功能、瀝青混凝土底砟層厚度設(shè)計(jì)方法以及材料設(shè)計(jì)關(guān)鍵指標(biāo)等進(jìn)行了綜述，并對(duì)已有設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了評(píng)述，以期進(jìn)一步認(rèn)識(shí)瀝青混凝土底砟層的優(yōu)勢(shì)，為瀝青混凝土道砟層在我國鐵路工程中的應(yīng)用提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 瀝青混凝土底砟層的結(jié)構(gòu)和功能

1.1 瀝青混凝土底砟層的結(jié)構(gòu)形式

在含瀝青層有砟軌道結(jié)構(gòu)中，瀝青混凝土層一般應(yīng)用于道砟層下方作為支承層，也稱為底砟層(Subballast layer)。在瀝青混凝土底砟層的發(fā)展過程中，世界各國均是在其普通有砟軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入瀝青混凝土底砟層，對(duì)已有的有砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖1所示為含瀝青混凝土底砟層軌道的結(jié)構(gòu)示意圖。在實(shí)際工程應(yīng)用中，各國采用的瀝青混凝土底砟層在層厚、結(jié)構(gòu)組合等方面具有一定的差異性。主要分為2 類，一類是采用較薄的瀝青混凝土層對(duì)傳統(tǒng)底砟層進(jìn)行強(qiáng)化，主要以日本為代表；另一類是直接采用瀝青混凝土層替代傳統(tǒng)底砟層，歐洲國家主要采用這一結(jié)構(gòu)形式[8]。

圖1 含瀝青混凝土底砟層軌道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic figure of railway structure incorporating asphalt subballast layer

1.2 瀝青混凝土底砟層的功能及優(yōu)勢(shì)

瀝青混凝土底砟層在有砟軌道結(jié)構(gòu)中的功能主要有：1)作為結(jié)構(gòu)強(qiáng)化層，增強(qiáng)道床結(jié)構(gòu)承載力和應(yīng)力擴(kuò)散能力，降低路基應(yīng)力水平[9]；2)作為防水層，改善路基排水性能，防止地表水滲入路基，提高路基穩(wěn)定性[10]；3)作為隔離層阻止路基細(xì)小顆粒向道砟層轉(zhuǎn)移，消除道砟黏結(jié)，翻漿冒泥等 病害[11]。

與普通有砟軌道結(jié)構(gòu)相比，瀝青混凝土底砟層的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在：1)瀝青混凝土底砟層施工完成后可以為后續(xù)的工序提供平整的工作面，從而加快施工速度[9]；2)瀝青混凝土底砟層的應(yīng)用使軌道下部結(jié)構(gòu)的支承剛度增大，從而減小列車荷載作用下整體軌道結(jié)構(gòu)的豎向變形[12]；3)由于瀝青混凝土具有良好的黏彈性，瀝青混凝土底砟層在軌道結(jié)構(gòu)中起到較好的緩沖作用，有助于減少列車經(jīng)過產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音[12-16]。4)延長軌道結(jié)構(gòu)的使用壽命，減少軌道結(jié)構(gòu)在運(yùn)營過程中的維護(hù)費(fèi)用，降低全壽命周期成本[17-18]；5)減少軌道結(jié)構(gòu)水損害，包括排水不暢引起的道砟污染，路基凍融破壞等[19-20]；6)降低軌道結(jié)構(gòu)的整體厚度，可適用于隧道等特殊環(huán)境[9]。

2 瀝青混凝土底砟層的工程應(yīng)用

2.1 國外瀝青混凝土底砟層應(yīng)用概述

瀝青混凝土底砟層在實(shí)際工程中的應(yīng)用最早可追溯至20 世紀(jì)60年代，奧地利于1963年修建了一段瀝青混凝土底砟層試驗(yàn)段，建成后維修非常少，因服役狀態(tài)良好，目前仍在使用。隨后，世界范圍內(nèi)多個(gè)國家陸續(xù)開展了瀝青混凝土底砟層研究并積極推進(jìn)工程應(yīng)用。表1總結(jié)了目前為止瀝青混凝土底砟層在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況以及使用效果。

瀝青混凝土層在鐵路軌道中除用于底砟層外，在輕軌埋入式軌道、軌枕錨固式無砟軌道、以及板式無砟軌道等軌道結(jié)構(gòu)中均有應(yīng)用[38]。德國自20世紀(jì)90年代開始相繼開發(fā)了ATD、SATO 和Getrac等多種軌枕錨固式瀝青混凝土無砟軌道結(jié)構(gòu)[39-41]，這種軌道結(jié)構(gòu)具備良好的整體彈性，與普通軌道相比具有施工便利，養(yǎng)護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)[42-45]。

表1 世界范圍內(nèi)瀝青混凝土底砟層應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)Table 1 A summary of worldwide application of asphalt subballast layer

2.2 瀝青混凝土在我國鐵路工程中的應(yīng)用

我國于20 世紀(jì)60年代開始了瀝青道床的應(yīng)用研究，但由于種種原因進(jìn)展緩慢。近年來，隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，瀝青混凝土在無砟軌道中的應(yīng)用再次受到重視。目前，瀝青混凝土防水層是瀝青混凝土在我國高速鐵路無砟軌道中的主要應(yīng)用形式。西南交通大學(xué)開展了SAMI(Surface Asphalt Mixture for Impermeable usage)、 RAC (Railway Asphalt Concrete)等課題研究[46-51]，東南大學(xué)研發(fā)了自密實(shí)瀝青混凝土防水封閉層以及全斷面瀝青混凝土防水封閉層[19-20,52-54]。鑒于國外實(shí)際工程中瀝青混凝土底砟層的良好表現(xiàn)，以及我國有砟軌道重載化、地質(zhì)條件復(fù)雜化的發(fā)展趨勢(shì)，瀝青混凝土底砟層將是未來我國有砟軌道結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要方向之一。

3 瀝青混凝土底砟層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

3.1 設(shè)計(jì)原則

瀝青混凝土底砟層厚度設(shè)計(jì)以滿足其在設(shè)計(jì)使用壽命周期內(nèi)的功能性和結(jié)構(gòu)性要求為原則，采用性能驗(yàn)算法進(jìn)行厚度設(shè)計(jì)。瀝青混凝土底砟層應(yīng)具有防止雨水向基床滲透、確保降雨時(shí)列車運(yùn)行安全性、減少維修作業(yè)的功能，因此在設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮瀝青混凝土層的疲勞破壞。此外，瀝青混凝土底砟層的永久變形量過大時(shí)，容易產(chǎn)生裂紋，也會(huì)使下部路基的變形量相應(yīng)增大，所以還要考慮瀝青混凝土底砟層的永久變形。

疲勞開裂破壞和永久變形量是瀝青路面設(shè)計(jì)的主要控制指標(biāo)，因此，現(xiàn)階段瀝青混凝土底砟層設(shè)計(jì)主要參考瀝青路面設(shè)計(jì)方法，通過對(duì)瀝青混凝土底砟層疲勞壽命和表面位移的驗(yàn)算確定瀝青混凝土底砟層厚度。瀝青混凝土底砟層在軌道結(jié)構(gòu)中的受力模式與瀝青路面仍然存在一定的差異。道路結(jié)構(gòu)中，瀝青路面直接承受輪胎荷載的作用，然而，在鐵路軌道結(jié)構(gòu)中，列車荷載經(jīng)過鋼軌、軌枕和道砟層等介質(zhì)擴(kuò)散之后才傳遞至瀝青混凝土底砟層，因此一般不采用彈性層狀體系理論計(jì)算瀝青混凝土底砟層的應(yīng)變，而是利用有限元建模計(jì)算列車荷載作用下瀝青混凝土底砟層的應(yīng)變水平，進(jìn)而進(jìn)行疲勞破壞和永久變形量驗(yàn)算。

3.2 設(shè)計(jì)荷載及使用壽命

鐵路軌道對(duì)下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命要求較高，因此對(duì)瀝青混凝土底砟層設(shè)計(jì)壽命的要求遠(yuǎn)高于瀝青路面，日本和法國對(duì)瀝青混凝土底砟層設(shè)計(jì)使用壽命要求分別為40年和60年。日本鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，對(duì)于瀝青混凝土底砟層的疲勞破壞，僅考慮正常列車荷載的作用進(jìn)行驗(yàn)算；對(duì)于瀝青混凝土底砟層的變形量，則考慮偶爾通過的貨車和沖擊荷載等最大列車荷載進(jìn)行驗(yàn)算[26]。法國瀝青混凝土底砟層性能驗(yàn)算則同時(shí)考慮60年壽命周期內(nèi)的列車荷載以及上部結(jié)構(gòu)施工期間的交通荷載。

3.3 疲勞驗(yàn)算

疲勞驗(yàn)算的目的是保證瀝青混凝土底砟層在設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)承受的荷載作用次數(shù)不超過其疲勞破壞對(duì)應(yīng)的允許荷載次數(shù)。瀝青混凝土底砟層的疲勞破壞主要受層底拉應(yīng)變控制，驗(yàn)算時(shí)拉應(yīng)變水平一般通過有限元建模計(jì)算獲得。

日本瀝青混凝土底砟層疲勞驗(yàn)算采用日本道路設(shè)計(jì)規(guī)范提供的設(shè)計(jì)方法，即美國地瀝青協(xié)會(huì)(AI)提出的力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。該方法中的疲勞方程是以試驗(yàn)路數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并考慮試驗(yàn)室與野外條件的差異得出的經(jīng)驗(yàn)公式，其中計(jì)入了車輪行走位置的離散性的影響。然而，列車在軌道上運(yùn)行時(shí)，荷載位置是固定的，其條件對(duì)瀝青混凝土層更為不利。因此日本鐵路規(guī)范在瀝青路面疲勞開裂經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上引入60%的折減系數(shù)，采用式(1)計(jì)算瀝青混凝土底砟層疲勞破壞允許荷載次數(shù)

式中：NA為對(duì)應(yīng)瀝青混合物層的疲勞破壞的允許荷載次數(shù)；εt為瀝青混合物層底面的拉伸應(yīng)變(最大主應(yīng)變)；EA為瀝青混合物層的動(dòng)模量，MPa；C為瀝青混合物層的孔隙率Vv與瀝青量Vb的函數(shù)。

美國肯塔基大學(xué)基于有限元方法開發(fā)了鐵路道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序Kentrack4.0[55]，用于分析美國3種不同形式的道床形式，包括不含瀝青混凝土層的普通結(jié)構(gòu)(All-Granular)、取代底砟層的瀝青混凝土下墊層結(jié)構(gòu)(Asphalt Underlayment)和底砟層與瀝青混凝土層組合結(jié)構(gòu)(Asphalt Combination)。Kentrack程序針對(duì)2 種損傷模式分別進(jìn)行驗(yàn)算：瀝青混凝土層層底拉應(yīng)變驗(yàn)算用于控制瀝青混凝土層的疲勞開裂，路基頂部的壓應(yīng)力驗(yàn)算用于控制道床結(jié)構(gòu)的永久變形。程序中利用式(4)計(jì)算瀝青混凝土層容許荷載重復(fù)作用次數(shù)。

式中：Na為瀝青層中的容許荷載重復(fù)作用次數(shù)；εt為瀝青層底部的水平拉應(yīng)變，in/in；Ea為瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)模量，psi。

法國考慮60年壽命周期內(nèi)的列車荷載以及上部結(jié)構(gòu)施工期間的交通荷載，基于瀝青混凝土材料疲勞的疲勞強(qiáng)度，對(duì)瀝青層底面拉應(yīng)變進(jìn)行疲勞驗(yàn)算[34]。首先通過室內(nèi)疲勞試驗(yàn)測(cè)得106次荷載對(duì)應(yīng)的允許拉應(yīng)變?chǔ)?，然后利用式(5)計(jì)算瀝青混凝土底砟層設(shè)計(jì)最大允許拉應(yīng)變。通過有限元模型計(jì)算列車荷載作用下瀝青混凝土層層底拉應(yīng)變水平εtadm，最后通過對(duì)比εtadm和ε6進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。

式中：kc為與材料類型相關(guān)的調(diào)整系數(shù)；kr為與路基支承剛度相關(guān)的參數(shù)；ks為風(fēng)險(xiǎn)控制參數(shù)。

由于溫度變化導(dǎo)致不同季節(jié)的損壞分析結(jié)果不同，同時(shí)瀝青混凝土模量隨溫度變化也存在明顯的差異[56]。因此，設(shè)計(jì)中需要考慮季節(jié)的影響。一般采用Miner 準(zhǔn)則對(duì)不同季節(jié)條件下瀝青混凝土底砟層的疲勞損傷進(jìn)行疊加[26,31]。首先計(jì)算不同季節(jié)溫度條件下瀝青混凝土底砟層疲勞破壞的傷損度mAi，由式(6)求得；然后將春夏秋冬各季節(jié)的傷損度進(jìn)行疊加，由式(7)計(jì)算總傷損度MA，并確認(rèn)其值應(yīng)小于1。當(dāng)傷損度MA大于1 時(shí)，應(yīng)重新研究瀝青基床表層。

式中：NAi為各季節(jié)對(duì)應(yīng)允許荷載作用次數(shù)；ni為各季節(jié)內(nèi)預(yù)測(cè)荷載發(fā)生次數(shù)；mAi為各季節(jié)對(duì)應(yīng)傷損度；MA為總傷損度。

3.4 變形驗(yàn)算

瀝青混凝土底砟層變形驗(yàn)算是以控制瀝青混凝土局部變形，撓度角在允許范圍之內(nèi)，不導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，且不影響軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性為目的。主要考慮列車荷載作用下的動(dòng)變形和長期列車荷載作用下的永久變形2 個(gè)方面。

日本瀝青混凝土底砟層設(shè)計(jì)沿用普通底砟層的設(shè)計(jì)限制，以列車荷載作用下瀝青混凝土底砟層動(dòng)變形不超過2.5 mm 作為控制條件，并限制路基模量最小值，控制路基永久變形量。法國、意大利和西班牙也通過規(guī)定路基模量最小值，控制設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)路基的永久變形量，對(duì)路基模量的要求見表2。

表2 瀝青混凝土底砟層對(duì)路基模量的要求Table 2 Requirements of asphalt subballast layer on subgrade modulus

美國Kentrack 程序利用經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)有限元計(jì)算得到的路基頂面壓應(yīng)力得到路基允許荷載作用次數(shù)，通過對(duì)比設(shè)計(jì)使用壽命周期內(nèi)列車荷載作用次數(shù)，驗(yàn)算路基永久變形。式(8)為計(jì)算采用的經(jīng)驗(yàn)公式[55]。

式中：Nd為路基允許荷載作用次數(shù)；σc為路基頂面壓應(yīng)力；Es為路基頂面回彈模量。

4 瀝青混凝土底砟層材料設(shè)計(jì)關(guān)鍵指標(biāo)

瀝青混凝土材料廣泛應(yīng)用于道路工程，已有成熟的材料設(shè)計(jì)方法和較為完善的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。由于瀝青混凝土底砟層與瀝青路面在結(jié)構(gòu)形式、受荷模式、設(shè)計(jì)壽命以及功能要求等方面存在一定的差異性，瀝青混凝土底砟層對(duì)瀝青混凝土材料的要求與瀝青路面相比也有一定的差異性。目前世界范圍內(nèi)普遍采用道路瀝青混凝土設(shè)計(jì)方法(馬歇爾設(shè)計(jì)法)和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，在道路用密級(jí)配瀝青混凝土材料的基礎(chǔ)上對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)加以調(diào)整和控制，從而滿足瀝青混凝土底砟層的使用要求。

表3 底砟層用瀝青混合料參數(shù)Table 3 Parameters of asphalt concrete for use in asphalt subballast layer

防水抗?jié)B是瀝青混凝土底砟層的主要功能之一，也是其區(qū)別于瀝青混凝土路面的最大特點(diǎn)。因此，瀝青混凝土底砟層要求瀝青混凝土材料具有良好的抗?jié)B性。瀝青混凝土的抗?jié)B性主要取決于瀝青混合料級(jí)配類型及空隙率大小，因此，目前瀝青混凝土底砟層實(shí)際工程應(yīng)用中均采用密級(jí)配瀝青混合料，并通過調(diào)整級(jí)配和油石比大小控制其空隙率，從而滿足防水抗?jié)B的性能要求。表3所示為各國用于瀝青混凝土底砟層瀝青混合料的部分材料參數(shù)。

5 結(jié)論

1)瀝青混凝土底砟層能夠滿足普通有砟軌道及高速鐵路有砟軌道的性能要求，且在防止地表水下滲、應(yīng)力擴(kuò)散以及減振降噪等方面具有出色的表現(xiàn)，能夠提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少維修工作量，提高使用壽命與耐久性，從而降低全壽命周期成本。

2)目前瀝青混凝土底砟層厚度設(shè)計(jì)主要基于瀝青路面設(shè)計(jì)采用的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)瀝青混凝土底砟層服役環(huán)境、受力特征與瀝青路面的差異性的考慮不夠全面。一方面，由于瀝青混凝土底砟層受到道砟層的保護(hù)，受溫度應(yīng)力和老化的影響較小，對(duì)瀝青混凝土的穩(wěn)定性和耐久性較為有利；另一方面，需要考慮到瀝青混凝土底砟層設(shè)計(jì)使用壽命長，列車運(yùn)行速度快、荷載作用頻率高，以及多雨條件下雨水滯留時(shí)間長、水分-荷載耦合作用顯著等因素的不利影響。

3)現(xiàn)有瀝青混合料設(shè)計(jì)方法和路用性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)瀝青混凝土底砟層材料設(shè)計(jì)具有較好的適用性。但由于瀝青混凝土底砟層與瀝青路面工作環(huán)境和功能性的不同，仍需要對(duì)空隙率、油石比等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)。

4)瀝青混凝土底砟層較普通底砟層具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，尤其是對(duì)提高路基穩(wěn)定性具有積極的作用，將是未來我國有砟軌道結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要方向之一。