CN108399308A - 沥青板式无砟轨道轨下基础结构及其准静态设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种沥青板式无砟轨道轨下基础结构及其准静态设计方法，沥青板式无砟轨道轨下基础结构位于钢轨以下无砟轨道基床表层以上，包括轨道板‑沥青混凝土层‑水硬性支承层的三层层状结构。本发明为了控制疲劳破坏，提出了轨道板板底水平拉应力、沥青混凝土层层底拉应力和底座(或支承层)板底拉应力控制指标。相对于传统的弹性地基上的梁板理论中将CA砂浆视为不考虑弯矩的线性弹簧的情形，本发明将沥青混凝土层和水硬性支承层看作弹性地基上的双层板，更加符合路基板式轨道结构的受力特点。

Description

沥青板式无砟轨道轨下基础结构及其准静态设计方法

技术领域

本发明涉及一种沥青混凝土支承的板式无砟轨道道床结构的设计方法，属于轨道交通领域，适用于城市轨道交通及正线铁路交通。

背景技术

高速列车运行速度快，相应轨道结构在振动强、噪声大。因而，轨道结构设计中有必要设置减振降噪设施—CRTS I和II型板式无砟轨道结构中，水泥乳化沥青砂浆(简称CA砂浆)可以起到一定的减振作用。CA砂浆刚度和强度比普通沥青混凝土高，但是比水泥混凝土低。其特点在于刚柔并济，以柔性为主，兼具刚性。CA砂浆填充于厚度一般为50mm的轨道板与混凝土底座之间，作用是支承轨道板、调整轨道板标高并缓冲高速列车动荷载，其性能的好坏对板式无砟轨道结构的平顺性、耐久性和列车运行的舒适性与安全性以及运营维护成本等有着重大影响。

对于CA砂浆填充层的研究，最早起于日本。1964年，日本在建第一条高速铁路(东京-大阪)时，期望能研发一种新型轨道板下填充支承层材料，既要能填充轨道板与底座之间的间隙和调整轨道高低外，还应具有足够的强度以及给板式轨道提供必要的弹性。于是决定在板下填充缓冲材料。作为缓冲材料，日本把水泥、砂和沥青乳剂等掺合起浆，利用沥青的弹性和水泥的刚性而形成的半刚性体，其中砂浆作为填充垫层，并一直应用至今。

国内关于CA砂浆的研究，在时间上几乎与日本同步，起始于20世纪60年代，但由于没在工程中推广应用后来相关研究几乎停滞了。在20世纪七、八十年代针对铁路沥青道床，对CA砂浆开展了长期、系统的试验研究。在车站、隧道、专用线上进行了铺设试验，但针对高速铁路无砟轨道使用条件下的CA砂浆研究，在本世纪初才刚刚起步。通过先后在秦沈线、赣榆线、郑西线、武广线和京津城际等路段进行过铺设试验，进行了CA砂浆的性能指标与试验方法的试验研究，得出了一系列研究成果，取得了大量的试验数据和工程经验。

王平、徐浩等通过动态单轴抗压试验分析了动态荷载下CA砂浆的抗压强度、弹性模量及临界应变随应变率的变化规律。谢友均、邓德华等人对CA砂浆充填层的劣化与失效机理、损伤本构模型以及长期变形性能等方面进行了大量的研究。这些关于CA砂浆的研究，更多的是强调强度、模量、变形等工程应用性能，而对其微观作用机理的研究还有待相关科技工作者进一步的研究。由于在高速列车反复荷载和环绕作用下，越来越多的CA砂浆会受损伤而劣化，加强现场CA砂浆修补枝术和修补工艺的研究，将是一个非常迫切的课题。无砟轨道结构普遍采用水泥混凝土材料，水泥混凝土材料脆性大、刚度高，相应轨道结构存在着易开裂、噪声强、适应路基变形能力差、维护困难等问题。而沥青混凝土由于其防水性能好、抗低温开裂以及减振降噪等突出优点在公路路面中得到长期的工程应用。基于此，我国一些学者开始研究全断面沥青混凝土应用于铁路轨下基础，并取得了一些成果。高速铁路路基沥青混凝土全断面防水封闭层就是其中的应用之一，并已由中国铁道科学研究院在京张高铁试验段中得到具体实施。

沥青混凝土结构目前在我国铁路轨下基础使用较少，国内已有的成果是把沥青混凝土防水层(SAMI)铺设于路基面两侧用于基床表层防水。因而，SAMI是一种防水功能层。为了充分使用沥青混凝土粘弹性的优良性能，考虑将沥青混凝土作为全断面承载层参与列车荷载的竖向传递，沥青道床结构的提出正是这一想法的具体体现。沥青道床结构指的是在材料组成上用沥青混凝土结构层来替代原有CA砂浆层和轨道底座板，以发挥填充层和持力层的道床结构，即形成一种轨道板-沥青混凝土-水硬性支承层的三层层状结构。

然而，对于沥青混凝土道床结构目前尚无明确的结构设计方法。将类比传统的公路路面和铁路轨道路基结构设计，参考公路水泥混凝土面板厚度和沥青层厚度的设计方法，并结合高速铁路路基设计规范，提出一种基于层状体系的沥青板式无砟轨道准静态设计方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对目前沥青板式无砟轨道结构层厚度设计方法并无切实可用的技术规范和标准进行参考的现状，本发明基于沥青道床结构理念和公路相关技术标准，提出一种沥青板式无砟轨道结构层厚度的准静态设计方法，并提出相关的重要指标来控制，为沥青板式无砟轨道结构层厚度设计提供参考，并为相关设计标准规范的制定提供思路。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

提供一种沥青板式无砟轨道轨下基础结构，该基础结构位于钢轨以下无砟轨道基床表层以上，包括轨道板-沥青混凝土层-水硬性支承层的三层层状结构。

接上述实施例，所述沥青混凝土层的厚度在20mm～60mm之间，水硬性支承层厚度在280mm～320mm之间，且两者取值均为10的倍数。

接上述实施例，沥青混凝土层的厚度确定后，采用单元板的形式进行预制。

接上述实施例，轨道板为预制单元板，对采用CRTSⅠ型板式轨道结构轨道板长度取5000mm，宽度取2400mm，厚度取190mm，对采用CRTSⅡ型板式轨道结构轨道板长度取6450mm，宽度取2550mm，厚度取200mm。

接上述实施例，无砟轨道基床表层厚为0.4m、压实系数K＞0.95、地基系数K30＞190MPa/m,基床底层土采用A、B组填料或改良土，土的压实系数K＞0.95，地基系数K30＞130MPa/m，厚度为2.3m。

接上述实施例，轨道板采用C60混凝土，弹性模量取值为3.60×10⁴N/mm²，混凝土泊松比取为0.30。

接上述实施例，水硬性支承层的模量为5000～10000Mpa，宽度为3000mm，长度为5000mm。

接上述实施例，沥青混凝土层的宽度和长度取值与轨道板相同，沥青混合料动态压缩模量根据实验测得或者根据《沥青路面设计规范》中第5.5.11条规定的20℃下不同类型的沥青混合料的动态压缩模量取值范围取值。

接上述实施例，轨道板板底水平拉应力、沥青混凝土层层底拉应力和水硬性支承层层底拉应力均符合相应的控制指标。

本发明还提供了一种基于上述沥青板式无砟轨道轨下基础结构的准静态设计方法，包括如下步骤：

S001、选定轨道板的基本参数，包括尺寸、模量和泊松比；

S002、选定沥青层的模量参数，包括沥青混合料动态压缩模量，面层沥青混合料加载频率，基层沥青混合料加载频率；

S003、选定水硬性支承层的基本参数，包括支承层弹性模量、宽度和长度；

S004、初拟沥青混凝土层和水硬性支承层厚度：沥青层厚度可在20mm～60mm之间取值，水硬性支承层厚度可在280mm～320mm之间，且两者取值均为10的倍数；

S005、选定路基和基床的参数，包括无砟轨道基床表层厚度、压实系数、地基系数；

S006、计算路基面换算刚度Et。

S007、验算轨道板：参考《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTGD40--2011)关于弹性地基单层板的荷载应力和温度应力的计算方法验算轨道板在荷载和温度作用下应力，并与《混凝土结构设计规范》规定的弯拉强度标准值比较；

S008、验算沥青层和水硬性支承层的层底拉应力：运用弹性地基上的双层分离式板理论，计算沥青层和水硬性支承层的合成弯矩，分配后得到各层的弯矩，然后计算各层层底弯曲拉应力，并与容许拉应力对比。

本发明的有益效果是：基于层状体系的沥青板式无砟轨道准静态设计方法，将轨道板作为弹性地基上的板，考虑荷载和温度的影响，较为符合轨道板的实际受力情况；将沥青混凝土层和水硬性支承层进行综合考虑，作为弹性地基上的双层分离式板考虑，考虑弯矩由两者的相对刚度进行分配，从而得到各层层底拉应力，相对于传统的弹性地基上的梁板理论将沥青层视为不考虑弯矩的线性弹簧，更加符合路基板式轨道结构的受力特点，能为沥青道床结构层厚度设计提供参考，并为相关设计标准规范的制定提供思路。

附图说明

图1轨道板-沥青混凝土-水硬性支承层的三层层状结构示意图；

图2沥青板式无砟轨道设计方法示意流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的沥青板式无砟轨道轨下基础结构位于钢轨以下无砟轨道基床表层以上，包括轨道板-沥青混凝土层-水硬性支承层的三层层状结构。

为了控制疲劳破坏，提出了轨道板板底水平拉应力、沥青混凝土层层底拉应力和水硬性支承层层底拉应力的控制指标。

于，轨道板取为预制单元板，对采用CRTSⅠ型板式轨道结构轨道板长度取5000mm，宽度取2400mm，厚度取190mm，对采用CRTSⅡ型板式轨道结构轨道板长度取6450mm，宽度取2550mm，厚度取200mm。

轨道板采用C60混凝土，弹性模量取值为3.60×10⁴N/mm²，混凝土泊松比取为0.30。

沥青混凝土层的宽度和长度取值与轨道板相同，沥青混合料动态压缩模量可以根据实验测得，也可根据《沥青路面设计规范》中第5.5.11条规定的20℃下不同类型的沥青混合料的动态压缩模量取值范围取值。

基床部分按《高速铁路设计规范》(TB 10621-2014)第6.3条规定选取，分别为：无砟轨道基床表层厚为0.4m、压实系数K＞0.95、地基系数K30＞190MPa/m,基床底层土采用A、B组填料或改良土，土的压实系数K＞0.95，地基系数K30＞130MPa/m，厚度为2.3m。

沥青层厚度可在20mm～60mm之间取值，水硬性支承层厚度可在280mm～320mm之间，且两者取值均为10的倍数。

轨道板、沥青混凝土层、底座板都要运用层状体系理论验算层底拉应力。

本发明为实现上述沥青板式无砟轨道轨下基础结构，提出了一种沥青板式无砟轨道轨下基础的准静态设计方法，该方法指的是对于沥青混凝土层参与结构受力的沥青道床的准静态设计方法，由于沥青道床指的是图1所示的轨道板-沥青混凝土-水硬性支承层的三层层状结构，所以该方法主要考虑钢轨以下，基床以上的道床部分，对该部分的设计主要从结构厚度、结构弹性模量的选取来考虑。控制指标有：轨道板板底水平拉应力、沥青混凝土层层底拉应力、底座(或支承层)板底拉应力。

图2为具体设计流程图。通过理论计算和参考相关规范，该发明分别对轨道板、沥青混凝土层、水硬性支承层的弹性模量、泊松比和轨道板、水硬性支承层厚度进行选取，然后初步拟定沥青混凝土层和水硬性支承层的厚度，运用层状体系理论验算轨道板、沥青混凝土层、底座板的层底拉应力，完成设计内容。

下面以设计速度300km/h的正线CRTSⅠ型板式无砟轨道为算例，对本方法进行说明。

S001、选定轨道板的基本参数：《铁路轨道设计规范》(TB 10082-2005)第8.2.3条规定，轨道板厚度不应小于190mm，宽度不宜小于2400mm，长度不宜大于5000mm。轨道板取为预制单元板，轨道板长度取5000mm，宽度取2400mm，厚度取190mm。

轨道板采用C60混凝土，根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2011)第4.1.5条规定，C60混凝土的弹性模量取值为3.60×104N/mm2，混凝土泊松比取为0.30。

S002、选定沥青层的基本参数：沥青混凝土层的长度与宽度与轨道板的长度、宽度相同，长度取为5000mm，宽度取2400mm。沥青混合料类型假定为A16，沥青种类为70号石油沥青，于是可取定20℃下动态模量为10000MPa。

S003、选定水硬性支承层的基本参数：理论计算结果表明，支承层弹性模量越高，道床板纵向拉压应力减小，而支承层的纵向拉压应力增大。因此水硬性支承层的模量选取为5000～10000MPa较为合适。本例中水硬性支承层模量取为8000MPa，支承层的宽度为3000mm，长度为5000mm。

S004、初拟沥青混凝土层和水硬性支承层厚度：初步拟定沥青层厚度为40mm，水硬性支承层的厚度为300mm。

S005、选定路基和基床的参数：先假定基床和路基构成弹性半空间地基，于是模型可简化成弹性半空间地基上的多层板的问题。弹性半空间地基的模量取为综合弹性模量，由水硬性支承层、基床表层、基床底层和土基的模量综合反映。《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)第6.3条要求无砟轨道基床表层厚为0.4m、压实系数K＞0.95、地基系数K30＞190MPa/m,要求基床底层土采用A、B组填料或改良土，土的压实系数K＞0.95，地基系数K30＞130MPa/m，厚度为2.3m。

S006、计算路基面换算刚度Et：参考《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTGD40--2011),查表E.0.1-1，取低液限粉土的回弹模量为100MPa。查表E.0.1-2，取距地下水位1.0m时的湿度调整系数为0.80。由此，路床顶综合回弹模量取为100×0.80＝80MPa

参考《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTGD40--2011)附录B.2，将水硬性支承层以下部分用路基面当量回弹模量来代替。

基床换算模量

基床换算高度

回归系数α＝0.26ln(h_x)+0.86＝0.26×ln(2.7)+0.86＝1.12

当量回弹模量

结合刚性路面的设计规范，参考无砟轨道Rheda系统结构设计方法，验算轨道板、沥青层、水硬性支承层承受2×106次循环荷载作用下的疲劳强度。具体步骤如下：

S007、验算轨道板：将轨道板看作弹性地基上的单层板，计算轨道板的弯曲刚度Dc，相对刚度半径r，荷载应力σp。

疲劳验算时荷载取1.5倍的静轮载。即P＝1.5·P_j＝1.5×80＝120kN

板的弯曲刚度

考虑极端情况：不考虑沥青层和水硬性支承层的作用时

相对刚度半径

轨道板的温度应力按完全约束下无限大板的威氏翘曲应力公式计算。

C60混凝土弯拉强度标准值为5.5MPa，满足σ_t+σ_p＝4.93MPa<5.5MPa＝f_r，说明轨道板满足要求。

由于，轨道板验算时考虑的是沥青层和水硬性支承层不参与受力时的情况，所以轨道板不需要单独设计，但在考虑严寒地区等特殊环境条件下，为提高轨道板抗冻和耐久性，可根据防冻要求增大轨道板厚度。

S008、验算沥青层和水硬性支承层的层底拉应力：假定轨道板为刚性板，荷载沿轨道板竖向方向呈矩形均布分布，均布荷载大小为: 于是结构变成弹性体系半空间地基上的两层板，一层为沥青混凝土层，一层为水硬性支承层。采用当量圆的概念，将矩形分布荷载，转化为单圆荷载，将圆的直径D处理为轨距1.4m，荷载大小为

考虑层间接触面光滑的情况，沥青层和支承层的等效厚度为

根据弹性半空间地基上的无限大板理论：

弹性特性

通过αR值查表得出弯矩系数

薄板中心的最大弯矩

沥青层分配的弯矩

层底拉应力

在15℃时，取细粒式开级配沥青混凝土的劈裂强度为0.6MPa，所以沥青混凝土层也符合要求。

支承层分配的弯矩

层底拉应力

德国公路规范ZTVT-StB95规定：设计计算时，水硬性支承层的弯曲抗拉强度可采用β_BZ≥1.6MPa,可见本设计的水硬性支承层符合要求。

综上，本发明基于沥青道床结构理念和公路相关技术标准，将轨道板作为弹性地基上的板，考虑荷载和温度的影响，较为符合轨道板的实际受力情况；将沥青混凝土层和水硬性支承层进行综合考虑，作为弹性地基上的双层分离式板考虑，考虑弯矩由两者的相对刚度进行分配，从而得到各层层底拉应力，并提出沥青混凝土层的层底拉应力控制指标(即沥青层计算得到的层底拉应力要小于沥青层在常温下的劈裂强度)和水硬性支承层的层底拉应力控制指标(即水硬性支承层计算得到的层底拉应力要小于德国公路规范规定的水硬性支承层的弯曲抗拉强度)，比较相对于传统的弹性地基上的梁板理论将沥青层视为不考虑弯矩的线性弹簧，更加符合路基板式轨道结构的受力特点，为沥青道床结构层厚度设计提供参考，并为相关设计标准规范的制定提供思路。

本发明用沥青混凝土来代替CA砂浆，具有很多优越性。优越性具体表现为：

①首先，沥青混凝土和CA砂浆相比，强度、刚度更大，能更好的替代CA砂浆发挥支承作用；

②其次，沥青混凝土中沥青的粘弹性作用能更好的发挥，能起到减震的作用；

③另外，由于沥青混凝土具有高弹性，在一定范围内可以恢复形变，减少沉降；

④再者，在确定沥青混凝土板的厚度后，可以进行预制，而不必像CA砂浆必须进行现场搅拌，能提高工作效率；

⑤最后，沥青混凝土板也采用了单元板的形式，在部分区域发生破坏时，可以不必整体更换，便于更换维修。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.沥青板式无砟轨道轨下基础结构，其特征在于，该基础结构位于钢轨以下无砟轨道基床表层以上，包括轨道板-沥青混凝土层-水硬性支承层的三层层状结构。

2.根据权利要求1所述的沥青板式无砟轨道轨下基础结构，其特征在于，所述沥青混凝土层的厚度在20mm～60mm之间，水硬性支承层厚度在280mm～320mm之间，且两者取值均为10的倍数。

3.根据权利要求1所述的沥青板式无砟轨道轨下基础结构，其特征在于，沥青混凝土层的厚度确定后，采用单元板的形式进行预制。

4.根据权利要求1所述的沥青板式无砟轨道轨下基础结构，其特征在于，轨道板为预制单元板，对采用CRTSⅠ型板式轨道结构轨道板长度取5000mm，宽度取2400mm，厚度取190mm，对采用CRTSⅡ型板式轨道结构轨道板长度取6450mm，宽度取2550mm，厚度取200mm。

5.根据权利要求1所述的沥青板式无砟轨道轨下基础结构，其特征在于，无砟轨道基床表层厚为0.4m、压实系数K＞0.95、地基系数K30＞190MPa/m,基床底层土采用A、B组填料或改良土，土的压实系数K＞0.95，地基系数K30＞130MPa/m，厚度为2.3m。

6.根据权利要求1所述的沥青板式无砟轨道轨下基础结构，其特征在于，轨道板采用C60混凝土，弹性模量取值为3.60×10⁴N/mm²，混凝土泊松比取为0.30。

7.根据权利要求1所述的沥青板式无砟轨道轨下基础结构，其特征在于，水硬性支承层的模量为5000～10000Mpa，宽度为3000mm，长度为5000mm。

8.根据权利要求1所述的沥青板式无砟轨道轨下基础结构，其特征在于，沥青混凝土层的宽度和长度取值与轨道板相同，沥青混合料动态压缩模量根据实验测得或者根据《沥青路面设计规范》中第5.5.11条规定的20℃下不同类型的沥青混合料的动态压缩模量取值范围取值。

9.根据权利要求1所述的沥青板式无砟轨道结构层厚度的准静态设计方法，其特征在于，轨道板板底水平拉应力、沥青混凝土层层底拉应力和水硬性支承层层底拉应力均符合相应的控制指标。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的沥青板式无砟轨道轨下基础结构的准静态设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S001、选定轨道板的基本参数，包括尺寸、模量和泊松比；

S002、选定沥青层的模量参数，包括沥青混合料动态压缩模量，面层沥青混合料加载频率，基层沥青混合料加载频率；

S003、选定水硬性支承层的基本参数，包括支承层弹性模量、宽度和长度；

S004、初拟沥青混凝土层和水硬性支承层厚度：沥青层厚度可在20mm～60mm之间取值，水硬性支承层厚度可在280mm～320mm之间，且两者取值均为10的倍数；

S005、选定路基和基床的参数，包括无砟轨道基床表层厚度、压实系数、地基系数；

S006、计算路基面换算刚度Et。

S007、验算轨道板：参考《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTGD40--2011)关于弹性地基单层板的荷载应力和温度应力的计算方法验算轨道板在荷载和温度作用下应力，并与《混凝土结构设计规范》规定的弯拉强度标准值比较；

S008、验算沥青层和水硬性支承层的层底拉应力：运用弹性地基上的双层分离式板理论，计算沥青层和水硬性支承层的合成弯矩，分配后得到各层的弯矩，然后计算各层层底弯曲拉应力，并与容许拉应力对比。