符慶宏,陳先華,蔡德鉤,楊 軍,楊國(guó)濤
(1.東南大學(xué) 交通學(xué)院, 江蘇 南京 211189;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所, 北京 100081;3.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 科技管理部, 北京 100844)
高鐵高平順性對(duì)鐵路路基的持久穩(wěn)定性和變形控制提出了嚴(yán)格的要求[1]。盡管相關(guān)規(guī)范中嚴(yán)格規(guī)定了路基設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[2-3],但運(yùn)營(yíng)期內(nèi)降雨、溫度等氣候環(huán)境仍會(huì)使路基產(chǎn)生多種病害,降低路基的整體強(qiáng)度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性,造成軌道結(jié)構(gòu)不平順,嚴(yán)重威脅列車的安全運(yùn)營(yíng)[4]?,F(xiàn)有無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)路肩和線間的路基面通常設(shè)置纖維混凝土防水封閉層,然而此類剛性防水封閉層在使用一段時(shí)間后易不同程度開(kāi)裂,造成防水效果不佳[5]。瀝青混凝土是一種柔性防水封閉材料,具有使用壽命長(zhǎng)、養(yǎng)護(hù)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn),是高鐵路基防護(hù)的一種有效措施。
德國(guó)、日本、法國(guó)、意大利、美國(guó)等已將熱拌瀝青混凝土應(yīng)用于鐵路工程中,形成多種含瀝青混凝土層的軌下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式,如瀝青混凝土墊層、強(qiáng)化基床表層和瀝青混凝土道床等,有效發(fā)揮了瀝青混凝土均勻分散和傳遞上部荷載、維持鐵路幾何線形、減少道砟污染、結(jié)構(gòu)緩沖減振以及為路基提供持久防水保護(hù)等方面的有益效果[6-12]。如德國(guó)的GETRAC軌道結(jié)構(gòu)中,采用厚15~35 cm的瀝青混凝土鋪筑于軌道板與水穩(wěn)支承層之間。法國(guó)、意大利和西班牙高速鐵路中瀝青混凝土一般用于底砟層,厚度12~14 cm[8-9]。日本板式軌道中瀝青混凝土鋪設(shè)于軌道板底部CA砂漿層與級(jí)配碎石之間[11]。我國(guó)自上世紀(jì)開(kāi)始,既針對(duì)傳統(tǒng)有砟軌道結(jié)構(gòu)展開(kāi)了瀝青道床的應(yīng)用研究[13-14],當(dāng)前集中于高速鐵路瀝青混凝土技術(shù)的研究。如京津、遂渝和武廣等無(wú)砟軌道客運(yùn)專線采用局部方案鋪設(shè)瀝青混凝土防水封閉層試驗(yàn)段[15-16];哈齊客專鋪設(shè)自密實(shí)瀝青混凝土(SCAM)局部防水封閉層試驗(yàn)段,有效預(yù)防了高寒地區(qū)路基凍脹融沉等病害[17-19];西南交通大學(xué)相關(guān)學(xué)者針對(duì)季冬區(qū)無(wú)砟軌道提出強(qiáng)化基床表層結(jié)構(gòu)等[20-21]。
雖然國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者基于相關(guān)工程試驗(yàn)段對(duì)鐵路瀝青混凝土開(kāi)展了一定的研究,但國(guó)外鐵路瀝青混凝土多應(yīng)用于有砟軌道底砟層結(jié)構(gòu),國(guó)內(nèi)多個(gè)路基面防水層混合料(SAMI)工程試驗(yàn)段的實(shí)施效果也未達(dá)預(yù)期目標(biāo),自密實(shí)瀝青混凝土雖實(shí)施效果較好,但應(yīng)用成本較高。且當(dāng)前高速鐵路瀝青混凝土防水封閉層主要采用的是局部方案,使得防水封閉層與底座板立面間存在接縫等薄弱環(huán)節(jié),影響防水性能。本文提出一種高速鐵路全斷面瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)(FSACWSS),因其全斷面鋪設(shè)于基床表層和底座板之間,使得底座板或構(gòu)造物立面接縫等問(wèn)題可以避免,整體防水性更好。該結(jié)構(gòu)兼具防排水和承重功能,因此瀝青混凝土材料應(yīng)具有良好的功能性、結(jié)構(gòu)性和耐久性?;诖?,設(shè)計(jì)了1種碾壓密實(shí)高模量瀝青混凝土材料(HEMAC),并通過(guò)多組室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)估其使用性能。最后,將該結(jié)構(gòu)和材料應(yīng)用于某高鐵客運(yùn)專線試驗(yàn)段,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤監(jiān)測(cè)和工后調(diào)研進(jìn)一步分析了其防水封閉特性和軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)等,為推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)。
高速鐵路路基全斷面瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)是在基床表層與混凝土底座之間熱拌熱鋪一定厚度碾壓密級(jí)配瀝青混凝土,形成的層狀防水封閉結(jié)構(gòu),大致結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。與傳統(tǒng)局部方案中瀝青防水封閉方法相比,其顯著特點(diǎn)在于全斷面鋪設(shè),整體防水性進(jìn)一步得到加強(qiáng)。
圖1 全斷面瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)示意圖
由于瀝青混凝土采用全斷面鋪設(shè),既是路基防排水體系的重要組成部分,也要承受上部軌道結(jié)構(gòu)和列車荷載的作用,因此瀝青混凝土材料應(yīng)具備如下基本功能:①致密不透水,表面應(yīng)平整密實(shí),利于水的快速排出;②具有優(yōu)良的抗疲勞性能,承受列車荷載反復(fù)作用;③能在外界環(huán)境與列車荷載長(zhǎng)期作用下保持較高的抗變形性能;④具有較高的模量以滿足結(jié)構(gòu)的承載要求;⑤與軌道板基座緊密結(jié)合,避免脫層或滑移;⑥具有良好的耐久性,不因光、熱、水以及荷載等因素的作用而出現(xiàn)氧化、碎裂等病害;⑦具有良好的溫度穩(wěn)定性,在高溫天氣里保持較高的抗變形性能,在低溫季節(jié)具有較強(qiáng)的低溫柔韌性及松弛能力,以滿足抗反射裂縫與適應(yīng)不均勻凍脹的能力。以上基本功能要求亦是材料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
通過(guò)調(diào)整優(yōu)化瀝青性能、礦料級(jí)配及空間結(jié)構(gòu)、瀝青—集料界面粘結(jié)性、油石比等,結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn),反復(fù)試配,設(shè)計(jì)確定了用于全斷面鋪設(shè)的碾壓密實(shí)高模量瀝青混凝土HEMAC。所選用的原材料包括SBS改性瀝青、石灰?guī)r集料和石灰?guī)r礦粉。其中按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[22]測(cè)得的SBS改性瀝青的基本性能結(jié)果見(jiàn)表1,均能滿足所提出的技術(shù)指標(biāo)要求[23]。
表1 SBS改性瀝青基本性能
配合比設(shè)計(jì)采用JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[24]中規(guī)定的馬歇爾試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法確定。以中粒式密級(jí)配瀝青混凝土AC-20為基礎(chǔ),初定中值級(jí)配、上中值級(jí)配以及下中值級(jí)配為目標(biāo)合成級(jí)配,分別成型AC-20馬歇爾試件,比較其體積參數(shù)和穩(wěn)定度,最終確定的礦料級(jí)配曲線如圖2所示的合成級(jí)配。通過(guò)成型不同油石比(3.5%,4.0%,4.5%,5.0%以及5.5%)的馬歇爾試件分別測(cè)試其體積參數(shù)、馬歇爾穩(wěn)定度及流值等,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中的方法,確定碾壓密實(shí)瀝青混凝土的最佳油石比為4.5%。
圖2 HEMAC礦料級(jí)配曲線
根據(jù)高速鐵路路基全斷面瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)的功能要求,按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》在防水封閉性、承載性、低溫抗裂性、結(jié)構(gòu)安全性、耐久性5個(gè)方面對(duì)所設(shè)計(jì)的HEMAC的使用性能開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)。部分試驗(yàn)試件及裝置如圖3所示。其中結(jié)構(gòu)安全性是通過(guò)制備水泥混凝土與瀝青混凝土的復(fù)合試件,利用室內(nèi)拉壓裝置分別對(duì)復(fù)合試件的界面抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試,如圖3(e)和(f)所示。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知,HEMAC的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能夠滿足所提出的技術(shù)要求,可用于全斷面瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)工程實(shí)施。
表2 不同油石比馬歇爾試件的試驗(yàn)結(jié)果
圖3 室內(nèi)評(píng)估試驗(yàn)試件和裝置
FSACWSS工程試驗(yàn)段位于河南開(kāi)封,起止樁號(hào)K51+860和K51+930,全長(zhǎng)70 m,試驗(yàn)段斷面圖如圖4所示。試驗(yàn)段基床表層全斷面鋪設(shè)6 cm厚高模量瀝青混凝土HEMAC,同時(shí)底座板厚度適當(dāng)減為24 cm,試驗(yàn)段于2015年9月下旬完成施工。
表3 HEMAC的使用性能評(píng)估結(jié)果
圖4 FSACWSS試驗(yàn)段斷面圖(單位:m)
FSACWSS按圖5所示的總體流程施工,采用分幅分次攤鋪,施工間隔時(shí)間盡量縮短,做到連續(xù)施工。
(1) 透層瀝青灑布前對(duì)路基面設(shè)計(jì)高程核驗(yàn),并清掃表面浮渣;
(2) 采用瀝青灑布車按設(shè)計(jì)用量一次噴灑透層瀝青并養(yǎng)護(hù);
圖5 FSACWSS的施工工序
(3) 采用瀝青拌合站的間歇式拌和機(jī)拌制瀝青混凝土,并嚴(yán)格控制拌合溫度;
(4) 采用自卸卡車運(yùn)輸,并采取有效的保溫措施,保證到場(chǎng)溫度要求;
(5) 采用履帶式攤鋪機(jī)進(jìn)行瀝青混凝土攤鋪,并輔以人工攤鋪;
(6) 采用鋼—膠—鋼—鋼的組合方式進(jìn)行初壓、復(fù)壓、終壓及成型,并嚴(yán)格控制碾壓溫度;
(7) 封鎖交通使瀝青混凝土自然養(yǎng)護(hù)成型。
為驗(yàn)證FSACWSS的防水封閉效果,同時(shí)檢驗(yàn)含瀝青混凝土軌道結(jié)構(gòu)的受力變形特性是否滿足無(wú)砟軌道相關(guān)技術(shù)要求,在施工過(guò)程中同步安裝了長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)和路基動(dòng)力性能測(cè)試系統(tǒng),如圖6所示。長(zhǎng)期性能檢測(cè)包括:基床表層含水量、封閉結(jié)構(gòu)溫度和變形、底座板位移等;路基動(dòng)力性能測(cè)試包括:路基和底座的加速度、動(dòng)變形等。
圖6 FSACWSS試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)剖面?zhèn)鞲衅鞑贾?/p>
2016年4月聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段,開(kāi)展了無(wú)瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)路基段(A段)和瀝青混凝土工程試驗(yàn)段(B段)的軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能,包括軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性。
3.1.1 軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定言
軌檢車通過(guò)各段最高運(yùn)行速度及脫軌系數(shù)、減載率等參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知,瀝青混凝土試驗(yàn)段與標(biāo)準(zhǔn)路基區(qū)段各參數(shù)相當(dāng),兩者均能夠滿足TB 10761—2013《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》[25]中所提出的列車運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)。
表4 實(shí)測(cè)A,B段軌道安全參數(shù)幅值
3.1.2 軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)
實(shí)測(cè)各段軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知:加速度隨速度提高而增加;B段軌道板加速度隨速度增加不顯著,而底座的加速度增加顯著;B段底座和軌道板振動(dòng)加速度幅值略大于A段,這是因?yàn)锽段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)是以同厚度取代了底座板,使得底座剛度削弱,不利于軌道受力。后續(xù)工程應(yīng)用中建議不削弱底座板,而采用瀝青混凝土同厚度取代基床表層的方法。
表5 實(shí)測(cè)各段軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度幅值
瀝青混凝土試驗(yàn)段路基動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)中在南側(cè)路肩設(shè)置了2個(gè)測(cè)試點(diǎn)(位于K51+910和K51+913斷面),分別監(jiān)測(cè)列車通過(guò)時(shí)路基表面動(dòng)變形和振動(dòng)加速度,以評(píng)價(jià)路基動(dòng)力性能是否滿足TB 10761—2013《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》的要求,即路基動(dòng)變形不大于0.22 mm,振動(dòng)加速度不大于10 m·s-2。
瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段實(shí)測(cè)路基表面動(dòng)變形如圖7所示,路基表面振動(dòng)加速度如圖8所示,其動(dòng)力特性統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6。可見(jiàn),動(dòng)變形隨車速提高變化不明顯,路堤基床表面動(dòng)變形幅值為0.20 mm,2個(gè)測(cè)試點(diǎn)差別不大,均滿足規(guī)范要求;路基表面振動(dòng)加速度2個(gè)測(cè)試點(diǎn)差別亦不大,峰值加速度約為0.54 m·s-2,遠(yuǎn)小于規(guī)范限值。
2016年4月聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間,相關(guān)人員對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行跟蹤調(diào)研,認(rèn)為瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段的總體情況良好,表面密實(shí)完整,未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂、松散和剝落等情況,瀝青混凝土與底座板和沿線構(gòu)造物的接縫良好,未發(fā)現(xiàn)接縫開(kāi)裂情況。2017年7月6日至7月9日期間,再次開(kāi)展瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)使用現(xiàn)狀調(diào)研,同時(shí)對(duì)鄰近纖維混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)(樁號(hào):K51+639—K51+860,以下稱對(duì)照段)的服役現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研。本節(jié)主要分析此次調(diào)研的結(jié)果。
圖7 實(shí)測(cè)試驗(yàn)段路基表面動(dòng)變形 (單位: mm)
圖8 實(shí)測(cè)試驗(yàn)段路基表面振動(dòng)加速度 (單位: m·s-2)
表6 路基表面動(dòng)力特性統(tǒng)計(jì)表
3.3.1 試驗(yàn)段整體狀況
瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段路肩與線間狀況如圖9所示。其總體情況良好,無(wú)剝落、松散、坑槽等病害;表面密實(shí)完整,防水效果好,無(wú)基床軟化、翻漿冒泥等病害出現(xiàn)。
圖9 FSACWSS試驗(yàn)段整體狀況
3.3.2 試驗(yàn)段裂縫
試驗(yàn)段兩側(cè)路肩、線間瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)與底座板、構(gòu)造物等接縫情況良好,全長(zhǎng)范圍內(nèi)僅在底座板接縫處產(chǎn)生無(wú)規(guī)則分布裂縫,調(diào)研結(jié)束后已進(jìn)行瀝青灌封修補(bǔ)(如圖10),表現(xiàn)出良好的可維護(hù)性。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,裂縫長(zhǎng)度一般為30~50 cm,寬度約3~5 mm,裂縫深度約3~6 mm,可能是因?yàn)榈鬃鍦乜s引起瀝青混凝土的被動(dòng)拉伸所致,需進(jìn)一步研究。
3.3.3 對(duì)照段服役現(xiàn)狀
鄰近纖維混凝土對(duì)照段調(diào)研可知:纖維混凝土與底座板板邊接縫良好,但在路肩和線間發(fā)現(xiàn)較多的溫縮裂縫;北側(cè)路肩以構(gòu)造物邊緣斜向裂縫、橫向裂縫為主;線間橫向裂縫、縱向裂縫和網(wǎng)狀裂縫均存在;全長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)少數(shù)的橫向裂縫和構(gòu)造物支座角隅斜裂縫,如圖11所示,將嚴(yán)重影響防水效果。
3.4.1 含水量
試驗(yàn)段和對(duì)照段在2015年12月29日至2017年7月7日期間含水量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖12所示。由圖12可知:瀝青混凝土試驗(yàn)段的防水封閉效果比纖維混凝土對(duì)照段好;試驗(yàn)段路肩中心含水量隨天氣影響并不明顯,基本維持在8%~18%之間,而對(duì)照段基床表層含水量受天氣的影響極為顯著,多個(gè)測(cè)點(diǎn)處的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了大幅度波動(dòng),含水量在10%~35%之間,峰值可達(dá)試驗(yàn)段的近3倍,這正是纖維混凝土防水層出現(xiàn)眾多開(kāi)裂,雨水下滲引起。
圖10 FSACWSS現(xiàn)狀及裂縫修補(bǔ)
圖11 對(duì)照段纖維混凝土部分開(kāi)裂模式
圖12 含水量監(jiān)測(cè)值
3.4.2 溫度
試驗(yàn)段和對(duì)照段在2015年12月29日至2017年7月7日期間溫度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖13所示。對(duì)比圖13(c)中的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知,由于瀝青混凝土的吸熱能力較普通纖維混凝土強(qiáng),瀝青混凝土層在路肩中心處的溫度幅值較纖維混凝土大,夏季最高溫度兩者分別約為65和50 ℃,相差15 ℃,且瀝青混凝土溫度隨氣溫的波動(dòng)性明顯更大。但底座板邊緣和下方的瀝青混凝土(圖13(b)和(c))由于被上部結(jié)構(gòu)覆蓋,其溫度差異并不明顯,可推斷位于底座板下的瀝青混凝土受環(huán)境影響較小,其耐候性能更優(yōu)。
圖13 剖面不同位置溫度監(jiān)測(cè)值
3.4.3 變形
圖14所示為2015年12月29日至2017年7月7日期間底座板水平位移的監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖14可知,試驗(yàn)段K51+901剖面處垂直于鐵軌方向底座板的水平位移幅值約-1.15 mm(負(fù)值表示底座板向線間方向移動(dòng))。對(duì)照段K51+807剖面處垂直于鐵軌方向底座板的水平位移幅值約0.78 mm(正值表示底座板向路肩方向移動(dòng))。
圖14 各剖面垂直軌道方向底座板水平位移監(jiān)測(cè)值
圖15所示監(jiān)測(cè)期內(nèi)試驗(yàn)段瀝青混凝土/對(duì)照段基床表層豎向位移的監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖15可知,不同剖面處底座板下方和邊緣的瀝青混凝土/基床表層在列車荷載長(zhǎng)期作用下均出現(xiàn)豎向變形;試驗(yàn)段K51+901處底座板下方和邊緣的豎向變形幅值分別為-0.5和-2.3 mm;對(duì)照段K51+807處底座板下方和邊緣的豎向變形幅值分別為-1.2和-0.4 mm??傮w上,瀝青混凝土試驗(yàn)段的長(zhǎng)期變形較纖維混凝土對(duì)照段相應(yīng)位置處的變形大,可能是因設(shè)計(jì)中削弱底座板所致,但均滿足規(guī)范要求。
圖15 各剖面不同位置豎向變形監(jiān)測(cè)值
(1)基于FSACWSS的工作環(huán)境,分析該結(jié)構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)及功能要求,設(shè)計(jì)了碾壓密實(shí)高模量瀝青混凝土HEMAC,并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)估材料的防水封閉性、承載性、低溫抗裂性、結(jié)構(gòu)安全性以及耐久性,結(jié)果表明其各項(xiàng)性能均滿足使用要求。
(2)軌道和路基動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果表明:瀝青混凝土試驗(yàn)段與典型路基區(qū)段軌道結(jié)構(gòu)受力變形相當(dāng),均滿足列車運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo);試驗(yàn)段路堤基床表面動(dòng)變形幅值為0.20 mm,路堤基床振動(dòng)加速度峰值為0.54 m·s-2,均滿足規(guī)范限值要求。
(3)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果表明:試驗(yàn)段與底座板和構(gòu)造物接觸總體情況良好,表面密實(shí)完整,無(wú)松散剝落、基床軟化等病害;在底座板溫度伸縮縫處有數(shù)條無(wú)規(guī)則分布裂縫,可采用瀝青灌封修補(bǔ),具有較高的可維護(hù)性;纖維混凝土對(duì)照段在路肩和線間出現(xiàn)較多的橫向裂縫、網(wǎng)狀裂縫以及角隅裂縫,嚴(yán)重影響其防水封閉性。
(4)含水量、溫度及變形的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:試驗(yàn)段基床含水量隨降雨的波動(dòng)小,基本維持在8%~18%之間,而對(duì)照段基床含水量受降雨的影響顯著,含水量高達(dá)10%~35%,峰值約為試驗(yàn)段的3倍;試驗(yàn)段在路肩和底座板邊緣處的封閉層溫度幅值大于對(duì)照段,但在軌道下方兩者差異不明顯;試驗(yàn)段底座板水平位移監(jiān)測(cè)值與對(duì)照段相當(dāng),豎向變形值總體上稍大于對(duì)照段,均滿足沉降要求。