高速鐵路瀝青道床材料的破壞模式與特征參數(shù)

鐵路道床是軌下基礎(chǔ)重要的組成部分，位于軌道結(jié)構(gòu)與路基面之間，直接承受、傳遞并分散由鋼軌傳下的列車動(dòng)荷載。道床性能直接影響高速鐵路的運(yùn)營安全、行車舒適與服務(wù)壽命。由于無砟軌道具有優(yōu)良穩(wěn)定性和少維修性，相對(duì)于散粒體的道砟道床，我國高速鐵路廣泛采用水泥混凝土無砟軌道。然而，水泥混凝土無砟軌道結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中存在剛度大、振動(dòng)強(qiáng)、噪聲高、易開裂且修復(fù)極其困難等問題。 粗粒式密實(shí)性瀝青混凝土兼具強(qiáng)度與柔性及優(yōu)良的防水性能，國外許多國家已將其用于高速鐵路道床中，而我國僅開展了少量以路基面防水為目的的試驗(yàn)性施工和初步的理論分析，處于初期研究階段。全斷面瀝青軌下基礎(chǔ)層相對(duì)于路基面防水瀝青層具有明顯的結(jié)構(gòu)差異性，即前者除了防水功能要求外，還需要承擔(dān)軌道傳遞下來的列車荷載。列車動(dòng)荷載作用于瀝青層上，瀝青混凝土材料內(nèi)部產(chǎn)生疲勞損傷積累。當(dāng)損傷變形超過一定的限值，道床瀝青層將產(chǎn)生破壞，進(jìn)而引起軌道不平順并危及行車安全。因此，明確高速鐵路道床瀝青混凝土材料的破壞模式與特征參數(shù)，是瀝青道床結(jié)構(gòu)能實(shí)際應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵。 本項(xiàng)目采用動(dòng)力有限元分析方法，優(yōu)選瀝青道床結(jié)構(gòu)型式；針對(duì)最優(yōu)結(jié)構(gòu)組合，描述相應(yīng)瀝青層在不同列車動(dòng)荷載作用下的受力狀態(tài)；通過數(shù)值計(jì)算和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的手段，分析了高速鐵路道床瀝青層的破壞行為；提出了列車動(dòng)載環(huán)境中道床瀝青層的破壞判定準(zhǔn)則和關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)，構(gòu)建了高速鐵路瀝青道床材料的特征參數(shù)評(píng)價(jià)體系。研究成果可為高速鐵路全斷面瀝青道床的進(jìn)一步研究和相關(guān)應(yīng)用提供理論依據(jù)。 2100433B

道床材料直接影響高速鐵路的運(yùn)營安全、行車舒適與服務(wù)壽命。密級(jí)配瀝青混凝土用于高速鐵路道床支承層具有防水、減振、降噪、適應(yīng)路基變形、易于維護(hù)且環(huán)保可回收等優(yōu)勢(shì)，但瀝青層材料在輪軌荷載作用下存在損傷、劣化甚至破壞之風(fēng)險(xiǎn)。項(xiàng)目基于材料損傷與斷裂力學(xué)理論，以瀝青道床破壞模式與特征參數(shù)為內(nèi)容，圍繞解決道床瀝青層受力狀態(tài)與邊界約束影響道床材料損傷演化作用機(jī)制的關(guān)鍵問題，采用理論分析、粘彈性有限元數(shù)值計(jì)算、室內(nèi)瀝青混凝土試件彎曲與單軸壓縮破壞試驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)實(shí)測(cè)資料，合理選取高速鐵路瀝青有砟和瀝青無砟典型道床形式，并引入瀝青混合料疲勞開裂機(jī)制，開展道床瀝青混凝土材料的損傷演變、劣化機(jī)理及破壞行為研究，提出瀝青道床材料的關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)和破壞判定準(zhǔn)則，揭示高速鐵路道床瀝青混凝土材料的破壞模式，構(gòu)建瀝青道床材料的破壞特征參數(shù)評(píng)價(jià)體系。研究成果可為我國高速鐵路全斷面瀝青混凝土支承層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

瀝青道床是用瀝青或其他聚合材料將散粒道砟固化成整體或用瀝青混凝土代替碎石道床的一種新型軌下基礎(chǔ)。

瀝青道床是用瀝青或其他聚合材料將散粒道砟固化成整體或用瀝青混凝土代替碎石道床的一種新型軌下基礎(chǔ)。2100433B

道床功用

（1）承受來自軌枕的壓力并均勻地傳遞到路基面上；

（2）提供軌道的給橫向阻力，保持軌道的穩(wěn)定；

（3）提供軌道彈性，減緩和吸收輪軌的沖擊和振動(dòng)；

（4）提供良好的排水性能，以提高路基的承載能力及減少基床病害；

（5）便于軌道養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)，校正線路的平縱斷面。

道床材料

為適應(yīng)上述道床功能，道砟應(yīng)具有以下性能：質(zhì)地堅(jiān)韌，有彈性、不易壓碎和搗碎；排水性能好，吸水性差；不易風(fēng)化，不易被風(fēng)吹動(dòng)或被水沖走。

用作道砟的材料有：碎石、天然級(jí)配卵石、篩選取卵石、粗砂、中砂及熔爐礦砟等。先用何種道砟材料，應(yīng)根據(jù)鐵路運(yùn)量、機(jī)車車輛軸重、行車速度，結(jié)合成本和就地取材等條件來決定。我國鐵路干線上基本使用碎石道砟，在次要線路上才使用卵石道砟、爐碴道砟。下面介紹碎石道砟的技術(shù)要求。

（1）道砟的分級(jí)

碎石道砟根據(jù)材料性能將道砟分為一級(jí)和二級(jí)。碎石道砟的技術(shù)參數(shù)有：反映道砟材質(zhì)的材質(zhì)參數(shù)，如：抗磨耗、抗沖擊、滲水、抗風(fēng)化、抗大氣腐蝕等材料指標(biāo)參數(shù)，為道砟材質(zhì)的分級(jí)提供了法定依據(jù)；反映道砟加工質(zhì)量的質(zhì)量參數(shù)。表1-11列出道砟材質(zhì)的分級(jí)指標(biāo)。對(duì)于特重型軌道、隧道內(nèi)軌道枕及寬軌枕軌道，應(yīng)使用一級(jí)道砟，重型軌道力求作用一級(jí)道砟，其它軌道使用二級(jí)道砟。

（2）道砟級(jí)配

碎石道砟屬于散粒體，其級(jí)配是指道砟粒徑的級(jí)配對(duì)道床的物理力學(xué)性能、維修工作量有重要影響?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)是按級(jí)配要求，可保證道砟產(chǎn)品有最佳的顆粒組成。寬級(jí)配道砟由于道砟粒徑的減小、大、小顆粒的相互配合以及道砟顆粒之間的填潢，使得道砟有更好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，也有利于道床作業(yè)。

（3）道砟顆粒形狀及清潔度

道砟的形狀及表面狀態(tài)對(duì)道床的性能有重要影響。一般而言，棱角分明，表面粗糙的顆 粒，對(duì)集料具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。凡長度大于該顆粒徑1.8倍的稱為針狀顆 粒；厚度小于平均粒徑0.6 倍的稱為片顆粒。我國道砟標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定針狀指數(shù)和片狀指數(shù)均不大于50%。

道床分為普通有砟道床、瀝青道床和混凝土整體道床。

有砟道床通常由具有一定粒徑、級(jí)配和強(qiáng)度的硬質(zhì)碎石堆集而成，在次要線路上，也可以使用級(jí)配卵石或粗砂。瀝青道床是為了改善普通石砟道床的散體特性而加入乳化瀝青或?yàn)r青砂漿的結(jié)構(gòu)形式。整體道床常為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，常用于不易變形的隧道內(nèi)或橋梁上。