高鉑舜 肖鑫 姚青 江禮高

摘要：現(xiàn)代有軌電車平交路口段市政路面承受社會車輛和有軌電車兩種荷載作用，介于道路與鋼軌之間過渡區(qū)域的路面受力特征復(fù)雜，病害頻發(fā)，成為市政道路上的薄弱部位。為探究平交路口過渡段路面的病害機(jī)理，在現(xiàn)場病害調(diào)研的基礎(chǔ)上，對病害類型進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與分類，同時(shí)建立了路-軌過渡區(qū)三維有限元模型，考慮社會汽車和有軌電車雙重荷載，分析了軌側(cè)路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)?，F(xiàn)場調(diào)研結(jié)果表明，過渡區(qū)病害主要分布在軌側(cè)30 cm范圍，軌道附近路面沉降值大多分布在0～10 mm范圍，裂縫和軌道周邊材料剝落是主要的病害類型。力學(xué)分析結(jié)果表明，路面結(jié)構(gòu)的承載力和強(qiáng)度不足、路面結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)、路面沉降下車輛荷載的沖擊作用，是造成路-軌過渡區(qū)發(fā)生破壞的重要內(nèi)在機(jī)理。針對病害產(chǎn)生機(jī)理，提出在路面結(jié)構(gòu)下方鋪設(shè)高模量混凝土以及在道路與軌道之間增設(shè)過渡區(qū)材料的處治對策。

關(guān)鍵詞：有軌電車;平交路口;力學(xué)機(jī)理;有限元分析

中圖分類號：U418 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

本文引用格式：高鉑舜，肖鑫，姚青，等. 有軌電車平交路口過渡段路面病害機(jī)理與對策[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，40（1）：117-126.

Mechanism and Countermeasure of Pavement Distresses

Occurring at Tramway Grade Crossings

Gao Boshun1， Xiao Xin1， Yao Qing2， Jiang Ligao2

（1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education， Tongji University， Shanghai 201804， China;

2. Shanghai Urban Construction Municipal Engineering （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 200065， China）

Abstract：The road surface at tram grade crossings has borne combined loads of passing vehicles and trams. The load conditions and distresses of this area are complicated and varied， which becomes relatively weak spots on municipal roads. In order to clarify the distress mechanism of this transition pavement at grade crossings， on the basis of field investigation， the statistics and classification of the distresses were carried out， and a 3D finite element model was established to analyze the mechanical response of the road-rail pavement structure， in which combined vehicle and tram loads were conducted. The field investigation results show that the distresses in this transition area are mainly distributed within 30 cm of the track side， and the settlement of pavement near the track is mostly distributed within 0～10 mm. The numerical results show that the poor bearing capacity and strength and the disharmony deformation of pavement structure are the main reasons for the failure of the road-rail transition pavement. Focusing on the mechanism of the distress， the countermeasures of laying high modulus concrete under the pavement structure and adding transitional pavement materials between the road and the track are put forward.

由于有軌電車和市政道路通常共享路權(quán)，因而在平交路口段，有軌電車軌道不可避免地與城市道路銜接，成為市政道路上的薄弱部位[1]。在車輛荷載反復(fù)作用下，在道路與鋼軌過渡段的路面區(qū)域（簡稱路-軌過渡區(qū)），由于模量差異、振動荷載、水分侵入等原因，極易產(chǎn)生開裂、沉陷、脫落等早期病害。此外，由于路-軌過渡段結(jié)構(gòu)和位置的特殊性，導(dǎo)致其承受反復(fù)荷載，且養(yǎng)護(hù)困難，因而耐久性差，病害頻發(fā)（圖1（a））。同時(shí)，由于市政道路路基和有軌電車路基對沉降控制的要求不同，路-軌過渡段兩側(cè)經(jīng)常發(fā)生不均勻沉降[2]，導(dǎo)致錯(cuò)臺等病害，車輛通過時(shí)將產(chǎn)生較大的沖擊荷載，加速路面結(jié)構(gòu)的破壞，形成惡性循環(huán)。

圖1（b）表示了路-軌過渡區(qū)的示意圖，在路-軌過渡區(qū)存在幾種不同形式的荷載，在結(jié)構(gòu)上又存在模量和高差方面的差異。特別是在共有路權(quán)的平交路口位置，為了使鋼軌頂面與路面盡量平齊，在曲線地段易導(dǎo)致外軌超高設(shè)置不合理[3]。黃大維等[4]認(rèn)為軌道兩側(cè)瀝青混凝土路面反復(fù)開裂、脫落的重要原因是，由于軌道兩側(cè)的彈性橡膠材料不能給軌道兩側(cè)瀝青混凝土路面提供牢固、穩(wěn)定的約束邊界，瀝青混凝路面受溫度、振動、雨水和潮濕影響而產(chǎn)生開裂、脫落的可能性大大增加。由于平交路口等共有路權(quán)段鋼軌與道路結(jié)合處受力情況過于復(fù)雜，其病害原因尚無統(tǒng)一定論。

為了闡明有軌電車路-軌過渡段路面的破壞機(jī)理，提高路面結(jié)構(gòu)耐久性，國內(nèi)外學(xué)者主要從力學(xué)計(jì)算、數(shù)值模擬、材料設(shè)計(jì)3個(gè)方面進(jìn)行研究。有學(xué)者[5-6]采用力學(xué)解析表達(dá)式，計(jì)算了在車輛、振動等荷載影響下，有軌電車軌道周邊包括軌腰護(hù)墊、軌側(cè)填充材料、空腔率等結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍。一些學(xué)者[7-9]采用車輛—軌道動力學(xué)耦合模型，通過有限元建模方法，得到了有軌電車嵌入式軌道的動力學(xué)響應(yīng)，包括輪軌力、振動幅值、軌道損傷等參數(shù)。還有一些學(xué)者[10-11]從材料設(shè)計(jì)的角度入手，發(fā)明了鋼纖維混凝土、聚氨酯復(fù)合材料等以提高軌道周邊路面耐久性，延緩病害的發(fā)展。雖然這些研究取得了成果，但仍有一些問題亟待解決，如：缺乏較多的現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)以反映軌道周邊的實(shí)際病害特征;關(guān)于路-軌過渡區(qū)范圍還沒有明確的幾何定義;軌道周邊發(fā)生病害的力學(xué)機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。因此，本文在有軌電車軌道周邊路面現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，對病害類型進(jìn)行了總結(jié)和分類，結(jié)合平交路口段的結(jié)構(gòu)和荷載特征，建立了路-軌過渡區(qū)三維有限元模型，研究車輛荷載作用下過渡區(qū)的力學(xué)響應(yīng)，以揭示破壞發(fā)生的力學(xué)機(jī)理。

1 道路與鋼軌過渡區(qū)常見病害調(diào)研

為了研究有軌電車鋼軌周邊的病害特征，首先必須明確路-軌過渡區(qū)的定義，即車輛荷載影響下有軌電車鋼軌周邊易損路面的寬度范圍。為此，重點(diǎn)選取了松江有軌電車2號線4個(gè)平交路口作為調(diào)研對象，分別為松衛(wèi)北路—榮樂東路口、谷陽北路—榮樂中路口、滬松北路—廣富林路口和嘉松南路—廣富林路口，調(diào)研內(nèi)容包括病害范圍、病害類型、路面沉降情況3個(gè)方面。

1.1 病害范圍調(diào)研

為了探究車輛荷載對路-軌過渡區(qū)造成破壞的范圍，選取松—榮、谷—榮、滬—廣、嘉—廣4個(gè)路口作為調(diào)研對象，分別測量20、20、20、40處過渡區(qū)病害的面積范圍。由于不同病害類型的形狀和大小是不同的，為了統(tǒng)一表征過渡區(qū)病害范圍參數(shù)，采用等效病害寬度d定義過渡區(qū)病害沿路幅方向的寬度。首先測量病害的面積S，將其等效為矩形后，用病害面積S除以病害沿軌道方向的長度l，即可計(jì)算等效病害寬度。

由表1可知，對于病害寬度分布區(qū)間，松—榮路口90%分布于0～20 cm，谷—榮路口90%分布于0～25 cm，滬—廣路口100%分布于0～25 cm，嘉—廣路口95%分布于0～25 cm。經(jīng)調(diào)研，嘉—廣路口路面使用年限長，松—榮路口路面使用年限最短，在新建路面過渡區(qū)病害的寬度范圍主要集中于0～25 cm;隨著路面使用年限的增加，剛軌周邊病害逐漸外延，過渡區(qū)病害寬度可達(dá)30 cm及以上。認(rèn)為鋼軌周邊路面受車輛荷載影響的最大寬度值為30 cm，定義為道路與鋼軌過渡區(qū)鋪面。

1.2 病害類型調(diào)研

過渡區(qū)病害類型和病害嚴(yán)重程度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。為統(tǒng)計(jì)過渡區(qū)病害類型，以1 m為間隔取樣，通過病害外觀狀況（圖3），將病害類型分為4類，分別為裂縫類、沉降類、剝落類和相對完好。過渡區(qū)路面病害造成的最直接影響是使車輛產(chǎn)生動荷載（顛簸），路面不平整是路面性能劣化的最直接反映。因此，為了區(qū)分不同類型病害的嚴(yán)重程度，采用路面平整度進(jìn)行定義，用三米直尺法測量過渡區(qū)路面的平整度，測量時(shí)，取軌側(cè)左右各0.5 m范圍作為測量區(qū)域，每隔10 cm用塞尺測量高程差。按照《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》，對路面平整度的評價(jià)主要包括3個(gè)指標(biāo)：平整度標(biāo)準(zhǔn)差σ、國際平整度指數(shù) （按式σ=0.6IRI進(jìn)行計(jì)算）、最大間隙值Δh，平整度測試結(jié)果見表2。將平整度測試結(jié)果按照從小到大排列，參考標(biāo)準(zhǔn)中的要求，結(jié)合軌側(cè)路面的實(shí)測結(jié)果，以三米直尺測得的最大間隙值Δh的范圍為參考，Δh<10 mm時(shí)視為相對完好，并將病害嚴(yán)重程度分為3類：輕微（10 mm<Δh<20 mm）、中等（20 mm<Δh<30 mm）和嚴(yán)重（Δh>30 mm）。

在現(xiàn)場勘測中發(fā)現(xiàn)，在全部調(diào)研路段中，有57%的過渡區(qū)路面一些路段軌道周邊路面出現(xiàn)了不同程度的病害，但不足以造成結(jié)構(gòu)上的破壞和失穩(wěn)。由圖2可知，鋼軌周邊路面裂縫、鋼軌周邊集料松散和剝落是主要的病害類型，分別占取樣段總數(shù)的21%，其破壞程度較為輕微;較少一部分路面出現(xiàn)了路面明顯沉降，但其破壞程度往往較為嚴(yán)重，沉降類病害的路面平整度指標(biāo)往往偏大，路面平整度差。因此，軌周路面沉降對路面平整性和行車平穩(wěn)性具有較大的不利影響。

1.3 沉降情況調(diào)研

鋼軌周邊路面的不均勻沉降是造成車輛沖擊和振動荷載，引起路面破壞的重要原因。為調(diào)研實(shí)際路面的沉降情況，選取4個(gè)路口各50個(gè)取樣點(diǎn)作為調(diào)研對象，統(tǒng)計(jì)其路面較鋼軌的沉降值，如圖4所示。由圖4可知，大多數(shù)發(fā)生沉降的路面沉降值分布于0～10 mm范圍內(nèi)，而大于10 mm的沉降值相對較少。滬—廣、嘉—廣兩路口的路面沉降值較大，而松—榮、谷—榮兩路口沉降值較小。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，雖然榮樂路的運(yùn)營年限較廣富林路更長，但是其路口沉降量反而較小，其主要是因?yàn)檩^多路面錯(cuò)臺等病害已被處治（榮樂路經(jīng)多次養(yǎng)護(hù)）。

2 鋼軌與道路過渡區(qū)結(jié)構(gòu)和荷載特征

如圖5所示，在結(jié)構(gòu)特征方面，現(xiàn)代有軌電車多采用嵌入式無砟軌道結(jié)構(gòu)，這種軌道結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢是可以與其他路面交通工具共享路權(quán)，有利于社會車輛順利通過。但是其軌道斷面形式、軌道固定方式等都與常規(guī)的軌道交通有所區(qū)別，且常采用的槽型軌與路面往往不平齊，在軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐久性、易維修性等方面都提出了更高的要求[3]。不同于常規(guī)市政路面，有軌電車鋼軌與道路過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)特征可以概況為以下幾方面。

1） 模量變化：在過渡區(qū)范圍內(nèi)，路面結(jié)構(gòu)物存在一個(gè)由剛性鋼軌（210 000 MPa）到柔性路面（800～1 600 MPa）的模量突變。

2） 高差變化：由于槽型軌軌頭略高于路面，車輛通過時(shí)存在高差不一致而產(chǎn)生沖擊。

3） 鋼軌與路面存在接縫：由于粘結(jié)性能不足以及施工面不平整等原因，鋼軌與路面結(jié)構(gòu)易存在接縫而發(fā)生水損害和破壞。

在荷載特征方面，軌道周圍的路基與路面同時(shí)承受有軌電車與汽車兩種形式完全不同的荷載， 其中有軌電車荷載為集中荷載作用在軌面上， 而汽車荷載為均布荷載作用在路面或路面與軌面上。社會車輛荷載作用在鋼軌與道路過渡區(qū)會造成過渡區(qū)鋪面強(qiáng)度破壞。此外，在電車荷載和社會車輛荷載的共同作用下，軌道和周圍地面發(fā)生沖擊和振動，導(dǎo)致過渡區(qū)材料與鋼軌及瀝青鋪面粘結(jié)性及密封性受損，并進(jìn)一步在水和沖擊荷載的作用下發(fā)生破碎和剝落，從而降低服役壽命。作用于鋼軌與道路過渡區(qū)的不同荷載類型可歸結(jié)為表3。

3 道路與鋼軌過渡區(qū)破壞機(jī)理分析

3.1 有限元模型的建立

考慮到軌道結(jié)構(gòu)的對稱性，取一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用ABAQUS有限元軟件建立三維實(shí)體有限元計(jì)算模型，模型如圖6所示。模型長度為5 m，寬度為2 m，凹槽寬0.19 m，深度0.18 m。根據(jù)調(diào)研，取鋼軌軌槽兩側(cè)30 cm寬度范圍為路-軌過渡區(qū)，對其在車輛荷載下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析。模型由路面、鋼軌、軌側(cè)填充材料和軌頂密封材料4部分結(jié)構(gòu)組成，各部分材料參數(shù)如表4所示。由于路面底部設(shè)有模量較大的支承層，不考慮結(jié)構(gòu)底部的下沉，邊角條件中采用底部固定。

根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011），采用城-A級車輛荷載用于有限元模型中，其最大軸重為200 kN，荷載作用面積為0.6 m×0.25 m，輪距1.8 m。參考文獻(xiàn)[12-13]表明，路面不平整度對動荷載的大小有顯著影響，當(dāng)路面發(fā)生損壞時(shí)，動載增大，用動荷載與靜荷載的比值表示動荷載系數(shù)Kd，取Kd為1.4，則考慮動載作用下實(shí)際計(jì)算荷載為140 kN。車輛荷載作用位置如圖7所示，車輛從

-500 mm位置駛?cè)?，沿坐?biāo)軸方向向前行駛，經(jīng)過路-軌過渡區(qū)后從+500 mm駛出，計(jì)算車輛荷載分別作用在11個(gè)位置點(diǎn)處的力學(xué)響應(yīng)。

現(xiàn)代有軌電車機(jī)車形式通常為三模塊編組的電力牽引模式，行駛速度v通常小于70 km/h，其中靜輪載P0=125 kN。參照TB 10082-2017《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)車輛最大運(yùn)行速度vmax≤120 km/h時(shí)，列車豎向載荷取值為

P=P0（1+α） ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：P為豎向荷載，kN;P0為靜荷載，kN;α為動載系數(shù)。

式（1）中，若列車為電力牽引，則

α=0.6 v/100 ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：v為車輛實(shí)際運(yùn)行速度，km/h。

取有軌電車實(shí)際運(yùn)行速度為50 km/h，可得有軌電車豎向荷載P=162.5 kN，由于模型為對稱結(jié)構(gòu)，豎向荷載平均到兩側(cè)鋼軌，則有軌電車對每側(cè)鋼軌施加81.25 kN的集中荷載（圖7）。

在車輛通過路-軌過渡區(qū)的過程中，選取8個(gè)點(diǎn)位（圖8）的應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析。A，B，G，H為軌道外側(cè)不同層位的4個(gè)點(diǎn);C，D，E，F(xiàn)為軌道內(nèi)側(cè)不同層位的兩點(diǎn)，對路-軌過渡區(qū)路面不同層位的應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行對比分析。

3.2 路-軌過渡區(qū)破壞機(jī)理分析

為了揭示路-軌過渡區(qū)路面的破壞機(jī)理，選取圖7所示的11種汽車荷載工況以及1種電車荷載工況對模型進(jìn)行加載。本文主要針對過渡區(qū)在車輛荷載下的壓應(yīng)力、剪切力以及路面形變3個(gè)內(nèi)在力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析。

3.2.1 壓應(yīng)力的影響

汽車荷載和電車荷載作用下12種荷載工況下路-軌過渡區(qū)的最大壓應(yīng)力σcmax計(jì)算結(jié)果見表5，最大壓應(yīng)力云圖見圖9。從云圖可以看出，汽車荷載作用下的最大壓應(yīng)力達(dá)到了2.18 MPa，當(dāng)汽車荷載中點(diǎn)位于軌道上方時(shí)達(dá)到最大值，有軌電車荷載作用下的壓應(yīng)力相對較小，為1.65 MPa，最大壓應(yīng)力位置出現(xiàn)在路-軌過渡區(qū)外側(cè)（遠(yuǎn)離軌道位置），這表明軌道兩側(cè)距軌道一定距離的路面是主要的受壓部位。

圖10反映了車輛荷載從駛?cè)氲今偝鲞^渡區(qū)的過程中，路面結(jié)構(gòu)不同位置（A，B，G，H點(diǎn)）的壓應(yīng)力變化情況。由圖10可見，車輛通過過程中，不同位置點(diǎn)的壓應(yīng)力先增大到一個(gè)最大值，然后逐漸減小，當(dāng)荷載作用于位置點(diǎn)正上方時(shí)，壓應(yīng)力達(dá)到峰值。軌側(cè)路面的壓應(yīng)力值與汽車荷載距離軌道的遠(yuǎn)近有關(guān)，汽車荷載距離軌道越近，路面的壓應(yīng)力值越大。為探究路-軌過渡區(qū)最大壓應(yīng)力σc與車輛荷載距離軌道的距離x的關(guān)系，采用SPSS Statistics數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件對圖9的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，擬合結(jié)果表明σc與x近似符合二次函數(shù)關(guān)系，擬合優(yōu)度R2>0.9，如式（3）所示。由圖10變化趨勢和式（3）可以看出，當(dāng)車輛駛?cè)肼?軌過渡區(qū)時(shí)，最大的壓應(yīng)力出現(xiàn)在軌道外側(cè)（A點(diǎn)），大小為2.18 MPa;而當(dāng)車輛駛出路-軌過渡區(qū)時(shí)，各點(diǎn)的壓應(yīng)力較小，均小于2.18 MPa。

σc=2.1-11.1x+14.4x2（R2=0.982），當(dāng)駛?cè)霑r(shí)

1.5-13.7x+30.6x2（R2=0.956），當(dāng)駛出時(shí) （3）

式中：σc為路面上面層底部最大壓應(yīng)力，MPa;x為車輛荷載距離軌道中面的距離，m。

雖然常規(guī)瀝青混凝土面層的抗壓強(qiáng)度尚可，能夠承受抵抗一部分車輛荷載產(chǎn)生的變形，但是由于軌側(cè)的柔性包裹材料的抗壓強(qiáng)度通常為1～2 MPa，抗壓承載力較低。在車輛荷載的反復(fù)作用下，軌側(cè)的柔性材料容易發(fā)生因抗壓強(qiáng)度不足導(dǎo)致的破碎，產(chǎn)生沉陷、坑槽等病害，在過渡區(qū)造成路面不平整和高差，導(dǎo)致車輛通過時(shí)容易產(chǎn)生振動和沖擊。在沖擊荷載的進(jìn)一步作用下，路面性能繼續(xù)發(fā)生劣化，造成局部的網(wǎng)裂和強(qiáng)度破壞。

3.2.2 剪應(yīng)力的影響

汽車荷載和電車荷載下12種荷載工況下路-軌過渡區(qū)的最大剪切應(yīng)力τmax計(jì)算結(jié)果見表6，最大壓應(yīng)力云圖見圖11。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，不同荷載工況下的剪應(yīng)力存在正值和負(fù)值，即存在兩個(gè)方向相反的剪應(yīng)力。從云圖可以看出，汽車荷載作用下的最大剪應(yīng)力為0.31 MPa，而有軌電車荷載作用下的剪應(yīng)力值則大得多，為1.73 MPa，說明有軌電車車輪荷載會對路面結(jié)構(gòu)造成較大的剪切應(yīng)力。最大剪應(yīng)力位置均出現(xiàn)在路-軌過渡區(qū)內(nèi)側(cè)（靠近軌道位置），這表明靠近軌道的路面結(jié)構(gòu)容易發(fā)生剪切破壞。

圖12反映了車輛荷載從駛?cè)氲今偝鲞^渡區(qū)的過程中，路面結(jié)構(gòu)不同位置（C，D，E，F(xiàn)點(diǎn)）的剪應(yīng)力變化情況。由圖12可見，在車輛通過過程中，路-軌過渡區(qū)經(jīng)歷了兩次剪切作用，第一次為車輛駛?cè)霑r(shí)，第二次為車輛駛出時(shí)。兩次剪切力的方向相反，且車輛駛出狀態(tài)下的剪應(yīng)力幅值較大，當(dāng)車輛駛出路-軌過渡區(qū)時(shí)，最大的剪應(yīng)力出現(xiàn)在軌道內(nèi)側(cè)（E點(diǎn)）。

由于軌側(cè)柔性材料的抗剪強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度不足，在反復(fù)剪切力的作用下，路面與軌道結(jié)構(gòu)之間容易發(fā)生脫粘或錯(cuò)臺。此時(shí)，路面處于懸臂梁狀態(tài)，導(dǎo)致路面面層頂部出現(xiàn)較大的彎拉應(yīng)力;此外，由于路-軌模量和沉降差異導(dǎo)致應(yīng)力集中，使得靠近軌道結(jié)構(gòu)附近的瀝青路面應(yīng)力變化顯著，導(dǎo)致路-軌結(jié)合處容易產(chǎn)生橫向裂縫。

3.2.3 路面形變的影響

如前所述，路-軌過渡區(qū)處于一個(gè)模量突變的范圍，瀝青路面的模量值較小，為一定程度上的“柔性”，而鋼軌結(jié)構(gòu)的模量值較大，這是路面形變造成影響的內(nèi)因。表7和表8分別為汽車荷載和電車荷載作用下不同位置應(yīng)變值計(jì)算結(jié)果。由表7中數(shù)據(jù)可以看出，汽車荷載作用下遠(yuǎn)離軌道處（A，B，G，H點(diǎn)）路面結(jié)構(gòu)中橫向拉應(yīng)變較大，而靠近軌道處（C，D，E，F(xiàn)點(diǎn)）的橫向拉應(yīng)變較小，遠(yuǎn)離軌道處路面的拉應(yīng)變值約為軌道附近的3倍;遠(yuǎn)離軌道處路面的豎向壓應(yīng)力，約為軌道附近的2倍。由表8的數(shù)據(jù)可以看出，在電車荷載作用下，靠近軌道處路面的拉應(yīng)變值約為遠(yuǎn)離軌道處的3倍。這表明，在路-軌過渡段，受距離軌道遠(yuǎn)近的影響，路面的橫向變形量具有較大差異。同時(shí)可以證明，遠(yuǎn)離軌道的路面基層相對于軌側(cè)路面具有更大的豎向應(yīng)變值，傾向于發(fā)生較大的沉降。

然而，瀝青混凝土面層在常溫和低溫下的變形和延展能力較差，在較大橫向拉應(yīng)變的作用下容易產(chǎn)生疲勞開裂，由于內(nèi)側(cè)和外側(cè)橫向應(yīng)變的差異，在路面結(jié)構(gòu)中會產(chǎn)生更大的橫向拉應(yīng)力;另外，過渡區(qū)路面外側(cè)和內(nèi)側(cè)基層較大的豎向位移（沉降），會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)錯(cuò)位，在車輛通過時(shí)產(chǎn)生更大的沖擊荷載。因此，過渡區(qū)外側(cè)和內(nèi)側(cè)的形變不協(xié)調(diào)，是造成路-軌過渡區(qū)路面開裂的重要原因。

值得注意的是，影響過渡區(qū)路面破壞的幾種力學(xué)機(jī)理，以及不同的破壞形式不是單獨(dú)發(fā)生的，而往往是相互伴隨、互相促進(jìn)的。多數(shù)情況下，過渡區(qū)的損壞多是由于早期的沉陷和錯(cuò)臺，在車輛沖擊荷載的作用下，進(jìn)一步劣化而演變成后期病害的表現(xiàn)形式。與此同時(shí)，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫后，水分容易滲入路面結(jié)構(gòu)中造成水損害和路面承載力的降低，在各種環(huán)境因素的耦合作用下，進(jìn)一步加劇路面結(jié)構(gòu)的損壞。

4 病害處治對策

根據(jù)有限元模擬分析，路-軌過渡區(qū)病害主要是由路面材料強(qiáng)度不足導(dǎo)致的沉陷、坑槽，以及軌道周邊路面材料變形不協(xié)調(diào)兩方面原因?qū)е碌摹ａ槍Σ『Ξa(chǎn)生機(jī)理，可采用如下措施進(jìn)行治理。

1） 針對路面整體強(qiáng)度不足而造成的沉陷，需要在施工過程中保證路面壓實(shí)質(zhì)量，提高壓實(shí)度;在路面結(jié)構(gòu)層下方采用模量較大的高性能混凝土（UHPC），可以起到承載作用，抵抗車輛荷載作用下的變形。

2） 針對軌道周邊路面材料變形不協(xié)調(diào)的問題，采取在路-軌過渡區(qū)增設(shè)過渡材料的措施。所采用的過渡區(qū)材料模量應(yīng)介于瀝青混凝土和鋼軌模量之間，以緩沖過渡區(qū)模量的突變，此外應(yīng)兼具良好的“柔性”，具有一定的彈性和形變能力以減少裂縫的產(chǎn)生，同時(shí)緩沖車輛的沖擊荷載?？梢圆捎煤谏木郯滨椥曰炷?、環(huán)氧樹脂混凝土等材料，不僅具有優(yōu)異的力學(xué)特性，而且與原有路面之間美觀協(xié)調(diào)。

圖13為路-軌過渡區(qū)病害處治方法的示意圖。首先要對軌道周邊瀝青層進(jìn)行切割與鑿除，應(yīng)保證施工面的平整、整潔;之后按施工圖所示在下方填充雙快混凝土，再按照規(guī)定的尺寸填充UHPC層或半柔性過渡層，澆筑過程中應(yīng)保證澆筑范圍內(nèi)無灰塵、無雜質(zhì)、無殘留水;最后進(jìn)行施工面的整平，并振搗密實(shí)。

5 結(jié)論

1） 病害調(diào)研結(jié)果表明，大部分病害發(fā)生于軌側(cè)30 cm寬度范圍內(nèi)，路面較鋼軌的沉降值大多分布在0～10 mm之間，路面裂縫和鋼軌周邊材料的剝落是主要的病害類型。

2） 數(shù)值模擬結(jié)果表明，汽車荷載作用下，在汽車通過路-軌過渡區(qū)的動態(tài)過程中，壓應(yīng)力出現(xiàn)一次峰值，而剪應(yīng)力出現(xiàn)了兩次方向相反的峰值。綜合考慮汽車和有軌電車兩種荷載，出現(xiàn)在過渡區(qū)的最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分別達(dá)到2.18 MPa和1.73 MPa，遠(yuǎn)離鋼軌處的路面橫向和豎向應(yīng)變值與靠近鋼軌處具有較大差異。

3） 路-軌過渡區(qū)發(fā)生病害和破壞的力學(xué)機(jī)理主要有3方面：路面材料強(qiáng)度和承載力不足，路面材料橫向范圍變形不協(xié)調(diào)，以及路面沉降下車輛的沖擊作用。在這3方面因素影響下，路面首先發(fā)生早期病害，此后由于壓實(shí)度不足、循環(huán)沖擊荷載、環(huán)境荷載等因素綜合作用造成路面結(jié)構(gòu)進(jìn)一步劣化和破壞。

4） 針對病害產(chǎn)生的機(jī)理，提出在路面底層采用高模量的混凝土，或在鋼軌與路面之間增設(shè)“半柔性過渡材料”的處治方案，為平交路口過渡段路面耐久性鋪裝提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔誠靚. 有軌電車與道路交通系統(tǒng)的銜接問題及應(yīng)對措施[J]. 城市軌道交通研究，2020，23（S1）：67-70.

CUI C L. Connection problems between tramcar and road transportation system and countermeasures[J]. Urban Mass Transit，2020，23（S1）：67-70.

[2] 李暉. 松江現(xiàn)代有軌電車市政配套道路設(shè)計(jì)要點(diǎn)解析[J]. 城市道橋與防洪，2018（3）：54-69.

LI H. Analysis on design gist of municipal supporting road for modern tram in Songjiang[J]. Urban Roads Bridges and

Flood Control，2018（3）：54-69.

[3] 吳師. 現(xiàn)代有軌電車軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法及設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2014.

WU S. Research on the mechanical analysis and key technology of modern tramcar track structure[D]. Beijing：Beijing

Jiaotong University，2014.

[4] 黃大維，馮青松，羅信偉，等. 有軌電車軌道病害現(xiàn)場調(diào)研與分析[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，36（1）：12-17.

HUANG D W，F(xiàn)ENG Q S，LUO X W，et al. Site investigation and analysis of the tramway diseases[J]. Journal of East China Jiaotong University，2019，36（1）：12-17.

[5] REAL J，MARTíNEZ P，MONTALBáN L，et al. Modelling vibrations caused by tram movement on slab track line[J]. Mathematical & Computer Modelling an International Journal，2011，54（1/2）：280-291.

[6] 朱金晏，張晚晴，侍榮春. 基于力學(xué)計(jì)算的現(xiàn)代有軌電車軌道軌腰包裹柔性材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 城市軌道交通研究，2019，22（S1）：82-84.

ZHU J Y，ZHANG W Q，SHI R C. Structure design of flexible materials for tram rail waist block based on mechanical calculation[J]. Urban Mass Transit，2019，22（S1）：82-84.

[7] MA Y，MARKINE V L，MASHAL A A，et al. Improving the performance of finite element simulations on the wheel-rail interaction by using a coupling strategy[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F Journal of Rail & Rapid Transit，2018，232（6）：1741-1757.

[8] 鄧永權(quán). 有軌電車列車—嵌入式軌道動態(tài)相互作用研究 [D]. 成都：西南交通大學(xué)，2014.

DENG Y Q. Study on dynamic interaction of tram train-embedded rail track[D]. Chengdu：Southwest Jiaotong University，2014.

[9] LING L，HAN J，XIAO X B，et al. Dynamic behavior of an embedded rail track coupled with a tram vehicle[J]. Journal of Vibration and Control：JVC，2017，23（14）：2355-2372.

[10] 陸慧峰，龍厚全，莫呂群，等. 一種有軌電車與道路平交口的鋼纖維砼路面及其施工工藝：中國，CN107558324A[P]. 2018-01-09.

LU H F，LONG H Q，MO L Q，et al. The utility model relates to a steel fiber concrete road surface at the level intersection of streetcar and road and its construction technology： China，CN107558324A[P]. 2018-01-09.

[11] 馮克敏，焦洪林，費(fèi)學(xué)梅，等. 用于嵌入式軌道系統(tǒng)的高分子復(fù)合材料：中國，CN103351579A[P]. 2013-10-16.

FENG K M，JIAO H L，F(xiàn)EI X M，et al. Polymer composites for embedded rail systems： China，CN103351579A[P]. 2013-10-16.

[12] 曹源文，王冬，王建文，等. 水泥混凝土凹坑路面破損對重載車輛動荷載影響分析[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，39（8）：95-100.

CAO Y W，WANG D，WANG J W，et al. Influence analysis of the damage of the cement concrete pit pavement on dynamic load of heavy-load vehicles[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University（Natural Science），2020，39（8）：95-100.

[13] 曹源文，王冬，王建文，等. 水泥混凝土路面破損狀況對重載車輛動荷載的影響分析[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，39（7）：86-91.

CAO Y W，WANG D，WANG J W，et al. Influence analysis of cement concrete pavement damage on dynamic load of heavy-load vehicle[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University（Natural Science），2020，39（7）：86-91.