公鐵平交道口瀝青混凝土基層結(jié)構(gòu)組合設計*

郭慧峰 方明鏡 歐湘萍 肖 月

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室2) 武漢 430070)

0 引 言

鐵路路軌基礎面和公路平面在同一平面交互存在，由此而形成了相當數(shù)量的公路鐵路平交道口[1].因既有道口低速、交通密度較小的建設背景，且沒有詳細準確的設計規(guī)范指導，缺乏嚴格統(tǒng)一的標準.同時，公鐵平交道口處的交通流存在一定的復雜性，道口板的設計也不盡合理，導致平交道口破損嚴重.

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研表明，引起道口多種病害的一個重要原因是軌下基礎的下沉[2].由于道口區(qū)域的彈性模量與鄰近區(qū)域不同，加之頻繁受到水的滲流和車輛沖擊荷載等復雜作用，導致地基土屈服產(chǎn)生塑性變形，進一步致使道床出現(xiàn)沉降而引起與結(jié)構(gòu)面層的脫空.當出現(xiàn)脫空的時候，結(jié)構(gòu)面層承受力的面積減少，這樣使得結(jié)構(gòu)面層的局部應力迅速增加，當應力值超過其允許應力值，也就導致鋪面板出現(xiàn)破裂[3-4].劉世清[5]基于半剛性瀝青路面裂縫病害嚴重狀況，利用ANSYS有限元軟件研究荷載作用下的瀝青路面結(jié)構(gòu)層受拉情況.得出半剛性基層厚度應盡量取35 cm以上的建議，以預防半剛性瀝青路面裂縫的產(chǎn)生.楊震[6]在分析了多種不同材料、結(jié)構(gòu)的道口形式后，得出軌道下沉數(shù)值90%以上是由于平交道口處的道床的下沉造成，并提出整體式組裝平交道口，對其進行有限元模擬分析及施工設計.倪富健等[7]在有限元假定的基礎上，對道路的路面結(jié)構(gòu)的受力進行受力情況分析，從汽車輪載、溫度變化等多個方面進行研究分析，得出道路交叉口處路面車轍產(chǎn)生的主要原因是瀝青層表層的剪應力過大.馬新等[8]通過有限元軟件對不同輪載重量和水平力對路面剪應力分布及層底拉應力的影響進行計算分析.得出輪載重量和水平力對路面最大剪應力和層底拉應力均具有較強的影響，基于路面允許拉應力的壽命預估，交叉口路面的壽命呈幾何級數(shù)降低.本文基于防水減振型瀝青基層的道口鋪裝設計思路，運用有限元軟件進行模擬分析，并開展基于成本預估與受力大小的方案比較，以期給現(xiàn)有平交道口的改良設計提供技術(shù)參考.

1 瀝青墊層結(jié)構(gòu)設計方案

在軌道基礎結(jié)構(gòu)內(nèi)鋪設一層瀝青混凝土材料墊層，形成一個全新的防水減振型基層結(jié)構(gòu)體系.將其鋪設在碎石層下作為加強的軌道支撐層，由于瀝青材料的粘彈屬性，可緩和由路面?zhèn)鬟f下來的沖擊力，并使壓力均勻地分布到地基上；瀝青材料的不透水性使其成為天然的防水層，鋪設在地基上，可將水轉(zhuǎn)移到側(cè)溝，并且基本上消除滲水對路基的影響，有效地改善和維持了基層承載能力.基于此，設計方案中均使用瀝青混凝土層為基層結(jié)構(gòu)之一，不同方案的設計異同點為瀝青層的厚度及其他層結(jié)構(gòu)的層位與厚度.

方案采用普通型號的軌道(雙軌間距1 435 mm)與混凝土枕(16 cm×22 cm×250 cm)，對道口區(qū)域的路面基層進行結(jié)構(gòu)設計.設計預先擬定道口區(qū)域為2.5 m×3.5 m的長方形區(qū)域，道口區(qū)域下布置間距為24 cm的八根混凝土枕，道口區(qū)域外混凝土枕間距設置為50 cm，鋪面厚度設置為13.4 cm，與鋼軌等高.道口區(qū)域內(nèi)瀝青混凝土面層鋪設4cm AC-13C+5.4 cmAC-20C+4 cmAC-25C，道口區(qū)域外將 AC-25C瀝青混凝土厚度設為8 cm.具體方案如下：

方案一：圖1為方案一道口結(jié)構(gòu)圖，在16 cm的混凝土枕下，設置35 cm壓實度為95%的級配碎石，再下面一層設置16 cm的瀝青層，并設置坡度為2%的橫坡以便排出由碎石孔隙流下的水，在瀝青層的兩側(cè)設置直徑為6 cm的排水管，將水排到路基影響區(qū)之外.排水的構(gòu)造可以做成兩種不同的形式，見圖2.

圖1 方案一 道口結(jié)構(gòu)圖 (單位：mm)

圖2 排水構(gòu)造形式

方案二：圖3為方案二道口結(jié)構(gòu)圖，在底基層為瀝青混凝土層的基層結(jié)構(gòu)基礎上，在基層下再設置一層附加底砟墊層，材料為壓實級配碎石，厚度為20 cm.排水構(gòu)造上采用構(gòu)造一的形式，但設

置3根排水管道，位置在瀝青層的兩端，排水管直徑6 cm，均勻間隔2 cm設置在瀝青層兩側(cè)，具體見圖4.

圖3 方案二 道口結(jié)構(gòu)圖 (單位：mm)

圖4 排水構(gòu)造三

方案三：圖5為方案三道口結(jié)構(gòu)圖，在混凝土枕下不設置碎石層直接鋪設瀝青基層，厚度為54 cm，不設坡度道口區(qū)域之外仍用級配碎石鋪設.在基層下再設置17 cm的碎石附加墊層.

圖5 方案三道口結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

2 數(shù)值建模

2.1 ABAQUS模擬計算

利用軟件ABAQUS對結(jié)構(gòu)進行力學分析，以鐵路荷載為主建立簡化的結(jié)構(gòu)橫斷面模型，結(jié)構(gòu)主體為軌下結(jié)構(gòu)的不同鋪設層，主體上方建立兩個受力矩形模擬輪軌的受力面積，兩個矩形與主體結(jié)構(gòu)用彈簧連接，模擬力的傳遞與分散.模型寬度2.5 m，各結(jié)構(gòu)層厚度取方案設計厚度，地基深度取2～2.5 m，賦予每層不同材料特性，使結(jié)構(gòu)的變形受力有材料依托.模型荷載采用幅值為125 000 kN的動力隱式荷載，左右軌道都取9.962 MPa.筆者選取三種方案的最大豎向應力、最大豎向位移來驗證方案的可靠性.模型中各材料參數(shù)見表1.

表1 各層材料計算參數(shù)[9]

三種方案建立的模型簡圖和劃分網(wǎng)格后的二維有限元模型，見圖6.模型建立完畢后，對模型的豎向應力、豎向位移、豎向加速度進行計算分析.

圖6 三種方案下的模型簡圖和劃分網(wǎng)格 后的二維有限元模型

2.2 結(jié)果分析

各方案沿模型基礎層底路徑輸出的應力、位移、加速度計算結(jié)果，見圖7a)～c).同時比較三個指標的最大值，見圖7d).

圖7 各方案沿路徑輸出應力、位移、 加速度及最大值比較

由圖7可知，方案一從基礎結(jié)構(gòu)的層底狀態(tài)上來看，其最大豎向應力為8.51kPa，最大豎向位移為0.175 mm，最大豎向加速度為2.56 m/s2.對方案二模型的受力情況進行分析，較之方案一來看，其基層底部又附加一層底砟，因此，受力狀態(tài)上要優(yōu)于方案一.其基礎結(jié)構(gòu)的層底最大豎向應力為8.47 kPa，最大豎向位移為0.11 mm，最大豎向加速度為1.02 m/s2.對方案三模型，其瀝青層厚54 cm，受力狀態(tài)要明顯由于其他兩種方案.其基礎結(jié)構(gòu)的層底最大豎向應力為8.34 kPa，最大豎向位移為0.04 mm，最大豎向加速度為0.89 m/s2.

各層材料的用量從1:1的CAD的模型中截取，各材料價格來源于網(wǎng)絡，見表2.

表2 基礎各層材料需求及造價

比較來看，方案一、二、三的最大豎向應力大致相同，較方案一來看，方案二應力減小0.5%，方案三減小1.9%；三種方案的最大豎向位移區(qū)別較明顯，較方案一而言，方案二位移減小37.1%，方案三減小77.1%，由于瀝青層的加厚，方案三的豎向位移明顯減小；從最大豎向加速度看，方案二比方案一小60.2%，方案三比方案一小65.2%.綜合來看，方案一、二、三的各個受力結(jié)果逐漸優(yōu)化，相比于在瀝青層下加一層底砟的方案二，方案三增加瀝青層的厚度可使基層結(jié)構(gòu)的受力更好.

從經(jīng)濟角度看，方案一建設材料成本約為65萬，方案二為71萬，方案三約為162萬；較方案一方案二增長9.6%，方案三增長150.4%.由于方案三瀝青用量較方案一增加2倍，且瀝青材料成本較高，所以其建設成本要顯著高于其他兩個方案.就時間成本來說，方案二增加一層底砟，方案三增加瀝青層厚度，施工時間會相應增加，耗費的人力也會相應增加.從道口的后期運營維護來看，方案一的維護措施也較其他方案節(jié)約.因此，綜合來說，方案一的建設維護成本最低，方案三最高.

實際方案應用時，以文獻[10]為依據(jù)，需綜合考慮排水構(gòu)造、基礎層底受力、成本等各個因素.在重型交通荷載且經(jīng)濟條件允許下，方案三優(yōu)先選用；在輕型、中等交通荷載下，方案一、方案二優(yōu)先選用.在一般城市、市郊等區(qū)域中，方案一為既經(jīng)濟又實用的基層結(jié)構(gòu)方案，可優(yōu)先考慮.

3 結(jié) 論

1) 采用瀝青混凝土材料的基層形式設計出三個不同的結(jié)構(gòu)方案，即方案一：16 cm木枕+ 35 cm級配碎石+16 cm瀝青層；方案二：16 cm木枕+35 cm級配碎石+16 cm瀝青層+20 cm底砟碎石；方案三：16 cm木枕+54 cm瀝青層+17 cm底砟碎石.

2) 通過ABAQUS軟件分別對三個方案模型的豎向應力、豎向位移與豎向加速度進行分析，及經(jīng)濟層面的比較，認為方案一適合應用于輕型、中等交通荷載的道口優(yōu)化工程中，較方案三成本節(jié)約60%；方案三適合用于重型交通荷載且經(jīng)濟條件允許的道口優(yōu)化工程中，應力較方案一減少1.9%，位移較方案一減小77.1%，加速度較方案一減小65.2%.且在城市、市郊等區(qū)域，經(jīng)濟實用的方案一可優(yōu)先考慮.

3) 有待完善之處：道口原狀基層的各項參數(shù)有待進一步明確；道口建立的有限元模型為沿鐵路斷面的二維模型，對道口的真實動力響應存在很大局限性，有待進一步完善.