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《西南交通大学》 2012年
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高速铁路沥青混凝土轨下基础结构行为与材料设计

方明镜  
【摘要】:目前,国内水泥混凝土无砟轨道被广泛采用,然而水泥混凝土材料脆性大、刚度高,相应轨下基础存在易开裂、噪声强、适应路基变形能力差、维护极其困难等问题。密实型沥青混凝土兼具强度与柔性且施工快速,具有防水、减振、抗裂、适应能力强等优点,可作为新型轨下基础材料。然而,高速铁路的高运行速度、高平顺性和高安全性对轨下基础结构的稳固性和耐久性提出了极高要求,使得开展结构行为与材料设计研究成为沥青混凝土轨下基础工程应用的必要前提。 基于此,本文依托国家自然科学基金项目“高速铁路沥青混凝土轨下基础结构行为与指标体系”(No.50978222)、铁道部科技发展计划项目“无砟轨道路基面防水材料试验研究”(No.2007G042-N)以及西南交通大学博士创新基金项目“铁路沥青混凝土轨下基础材料指标体系”(2010),充分考虑铁路沥青混合料功能特性和工况环境,对沥青轨下基础结构形式分类、计算分析理论、力学行为特征、减振降噪性能、材料组成设计以及现场工程应用等进行了较为系统的研究。主要完成的工作和相应成果有: 首先,开展文献与工程调研,系统归纳了国内外铁路沥青混凝土工程应用概况。将沥青混凝土轨下基础结构形式划分为灌注固结式(PAS)、路肩防水式(WAS)、垫层隔离式(L4S)和面层支撑式(SAS)。WAS相应材料称为防水层沥青混合料(SAMI),而IAS和SAS相应材料称为全断面沥青混合料(RACS)。对铁路轨道路基与公路柔性路面的结构理论以及沥青混合料配合比设计方法进行了归纳与借鉴,指出层状粘弹性理论与马歇尔设计方法分别是沥青混凝土轨下基础结构力学行为与材料组成设计研究的基础。 其次,通过理论分析与推导,对IAS和SAS结构建立了基于层状粘弹性体系的沥青混凝土轨下基础简化分析模型。列车荷载竖向传递分析中,引入了扣件系统缓冲系数κ,得到了单个扣件系统所承受的最大压力Rd,再由叠加原理,将轨枕和轨道板对列车荷载的分担过程分别采用多条形非均布和单矩形均布的模式简化处理,并将传递后的列车荷载统一采用当量圆荷载作为层状模型的荷载输入。层状模型的粘弹性解由相应的弹性解通过“对应法则”得到,并以模型顶部竖向变形和沥青层底最大拉应力为分析指标,提出了轨下基础沥青层厚度准静态计算方法。 然后,利用通用有限元软件ABAQUS,以路基面竖向加速度和变形、沥青层底横纵向水平拉应变为关键力学指标,采用线弹性本构对沥青轨下基础进行了结构选型计算,得出沥青层置于上基床表层为最优形式。针对优选的沥青有砟(RAC-T)和无砟结构(RAC-S),采用沥青混合料蠕变试验数据,通过广义Maxwell模型拟合得到的Prony级数参数进行线粘弹性有限元分析,揭示了沥青轨下基础结构的主要动力行为特征: ●列车时速160km至400km下,RAC-T和RAC-S结构的路基面竖向加速度最大幅值范围分别约±25m/s2和-15/+10m/s2,且衰减后幅值总体上随车速提高而增大,但车速基本不影响路基面竖向变形和沥青层底水平应变。 ●增大沥青层厚度不仅可减小路基面竖向加速度幅值,也可减小路基面竖向变形及沥青层底的拉应变水平,其中厚度30cm的路基面竖向加速度及变形要比5cm时分别约减小20%和30%,同时沥青层厚小于10cm时应变响应幅值较大且波动特征明显。然而,当厚度超过20cm后各响应值随沥青层厚变化的差异减小。 ●提高沥青层模量能略微减小路基面竖向加速度,但可显著减小竖向变形。沥青层底应变水平随沥青层模量的增大而显著减小,但模量提高到一定程度后沥青层底应变水平减小有限。轨下基础沥青层宜选择10-20cm厚较高模量密实型沥青混合料。 再次,简要阐明铁路噪声振动的产生及传播机理,并通过ABAQUS程序对沥青轨下基础减振降噪性能进行了验证计算。由降噪分析,IAS和SAS相比S0可分别减小噪声水平达1.9-2.2dB和0.3-0.4dB;增厚沥青层和降低温度仅能降噪约0.1-0.2%,而车速由350km/h降到200km/h可降噪逾2%。由减振分析,有砟和无砟IAS结构的振动要比相应传统轨下基础振动分别减小约58%和71%;振动水平总体随车速提高而增大,但300-400km/h车速下的振动随车速变化程度比200-300km/h相应程度大2倍以上;沥青层由10cm增厚到20cm,轨下基础振动降幅超过10%,而沥青层厚由20cm到30cm时,其降幅仅约1%:沥青层动回弹模量8000-15000MPa下振动较低。 再然后,采用30年极端最低气温将铁路沥青混合料应用气候划分为热区(-9℃)、温区(≤-9℃-21.5℃)和寒区(≤-21.5℃)。基于气候分区与结构力行为,开展混合料的室内配合比试验,建议SAMI和RACS级配类型分别为SAMI-10和RACS-25,并对二者提出以空隙率1%≤Va≤3%,渗透系数K≤10-4cm/s,标准马歇尔稳定度MS≥5kN,冻融劈裂强度比TSR(热区≥60%、寒区≥70%),低温线收缩系数C≤30με/℃和以1%≤Va≤3%,K≤10-4cm/s,MS≥8kN,热区TSR≥75%、寒区TSR≥85%,C≤30με/℃,抗弯拉强度RB≥4MPa及低温蠕变速率BS≥120με/s/MPa为技术指标体系的材料组成设计方法。 最后,系统归纳了SAMI应用性施工,并借鉴公路沥青路面施工技术对包括RACS在内的轨下基础沥青混合料施工方案进行了分析,主要包括施工时序与混合料的准备、拌和、运输、摊铺、压实及质量控制,其中温度控制和施工连续是关键。 研究表明,轨下基础路基面设置沥青层能起到防水隔渗、减振降噪和整体强化功能,有利于高速铁路线下土工基础的长期稳定。本文是国内率先针对高速铁路沥青混凝土轨下基础结构行为与材料设计开展的综合性研究,其成果对沥青混凝土轨下基础在我国高速铁路建设中的工程应用有一定的理论参考价值。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:U213.24

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