瀝青混凝土底砟層的工程應用及其設計方法

劉嵩，陳先華，楊軍，楊國濤，蔡德鉤

(1.東南大學 交通學院，江蘇 南京211189；2.中國鐵路總公司，北京100844；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京100081)

有砟軌道是鐵路工程中最為常見的軌道結構類型，自發明以來其結構形式并未發生較大的改變。隨著列車運行速度的提高和通行車次的增加，普通有砟軌道暴露出諸多缺點和不足，包括路基承載力下降，日常維護工作量大，維護費用高等[1-4]。近年來，瀝青混凝土在有砟軌道結構中的應用得到了廣泛關注，瀝青混凝土作為支承層置于道砟層下方，即用作底砟層，在日本及歐美國家的實際工程應用中取得了較好的應用效果。瀝青混凝土是由瀝青膠結料和礦料黏結形成的一種較為常見的工程材料，具有承載能力強、抗裂性好等優點，被廣泛應用于道路工程、水壩工程等領域。奧地利最早于1963年修建了一段瀝青混凝土底砟層試驗段，建成后維修非常少，取得了較好的使用效果[4]。隨后，意大利、美國、日本、西班牙和法國等國家先后對瀝青混凝土底砟層的應用進行了深入研究和實踐。各國的研究結果及實踐經驗均表明，瀝青混凝土底砟層能夠滿足現代鐵路軌道的要求，是提高有砟軌道使用性能、延長使用壽命的有效措施[3,5-7]。目前瀝青混凝土底砟層已經在日本、意大利、法國等國的普通鐵路及高速鐵路有砟軌道中得到了大規模應用，并形成了較為完善的結構設計方法和性能評價體系。本文總結了瀝青混凝土底砟層在世界范圍內的研究及應用現狀，對瀝青混凝土底砟層的結構和功能、瀝青混凝土底砟層厚度設計方法以及材料設計關鍵指標等進行了綜述，并對已有設計方法進行了評述，以期進一步認識瀝青混凝土底砟層的優勢，為瀝青混凝土道砟層在我國鐵路工程中的應用提供理論和技術基礎。

1 瀝青混凝土底砟層的結構和功能

1.1 瀝青混凝土底砟層的結構形式

在含瀝青層有砟軌道結構中，瀝青混凝土層一般應用于道砟層下方作為支承層，也稱為底砟層(Subballast layer)。在瀝青混凝土底砟層的發展過程中，世界各國均是在其普通有砟軌道結構的基礎上引入瀝青混凝土底砟層，對已有的有砟軌道結構進行優化設計。圖1所示為含瀝青混凝土底砟層軌道的結構示意圖。在實際工程應用中，各國采用的瀝青混凝土底砟層在層厚、結構組合等方面具有一定的差異性。主要分為2 類，一類是采用較薄的瀝青混凝土層對傳統底砟層進行強化，主要以日本為代表；另一類是直接采用瀝青混凝土層替代傳統底砟層，歐洲國家主要采用這一結構形式[8]。

圖1 含瀝青混凝土底砟層軌道結構示意圖Fig.1 Schematic figure of railway structure incorporating asphalt subballast layer

1.2 瀝青混凝土底砟層的功能及優勢

瀝青混凝土底砟層在有砟軌道結構中的功能主要有：1)作為結構強化層，增強道床結構承載力和應力擴散能力，降低路基應力水平[9]；2)作為防水層，改善路基排水性能，防止地表水滲入路基，提高路基穩定性[10]；3)作為隔離層阻止路基細小顆粒向道砟層轉移，消除道砟黏結，翻漿冒泥等 病害[11]。

與普通有砟軌道結構相比，瀝青混凝土底砟層的優勢還體現在：1)瀝青混凝土底砟層施工完成后可以為后續的工序提供平整的工作面，從而加快施工速度[9]；2)瀝青混凝土底砟層的應用使軌道下部結構的支承剛度增大，從而減小列車荷載作用下整體軌道結構的豎向變形[12]；3)由于瀝青混凝土具有良好的黏彈性，瀝青混凝土底砟層在軌道結構中起到較好的緩沖作用，有助于減少列車經過產生的振動和噪音[12-16]。4)延長軌道結構的使用壽命，減少軌道結構在運營過程中的維護費用，降低全壽命周期成本[17-18]；5)減少軌道結構水損害，包括排水不暢引起的道砟污染，路基凍融破壞等[19-20]；6)降低軌道結構的整體厚度，可適用于隧道等特殊環境[9]。

2 瀝青混凝土底砟層的工程應用

2.1 國外瀝青混凝土底砟層應用概述

瀝青混凝土底砟層在實際工程中的應用最早可追溯至20 世紀60年代，奧地利于1963年修建了一段瀝青混凝土底砟層試驗段，建成后維修非常少，因服役狀態良好，目前仍在使用。隨后，世界范圍內多個國家陸續開展了瀝青混凝土底砟層研究并積極推進工程應用。表1總結了目前為止瀝青混凝土底砟層在實際工程中的應用情況以及使用效果。

瀝青混凝土層在鐵路軌道中除用于底砟層外，在輕軌埋入式軌道、軌枕錨固式無砟軌道、以及板式無砟軌道等軌道結構中均有應用[38]。德國自20世紀90年代開始相繼開發了ATD、SATO 和Getrac等多種軌枕錨固式瀝青混凝土無砟軌道結構[39-41]，這種軌道結構具備良好的整體彈性，與普通軌道相比具有施工便利，養護方便等優勢[42-45]。

表1 世界范圍內瀝青混凝土底砟層應用情況統計Table 1 A summary of worldwide application of asphalt subballast layer

2.2 瀝青混凝土在我國鐵路工程中的應用

我國于20 世紀60年代開始了瀝青道床的應用研究，但由于種種原因進展緩慢。近年來，隨著我國高速鐵路的快速發展，瀝青混凝土在無砟軌道中的應用再次受到重視。目前，瀝青混凝土防水層是瀝青混凝土在我國高速鐵路無砟軌道中的主要應用形式。西南交通大學開展了SAMI(Surface Asphalt Mixture for Impermeable usage)、 RAC (Railway Asphalt Concrete)等課題研究[46-51]，東南大學研發了自密實瀝青混凝土防水封閉層以及全斷面瀝青混凝土防水封閉層[19-20,52-54]。鑒于國外實際工程中瀝青混凝土底砟層的良好表現，以及我國有砟軌道重載化、地質條件復雜化的發展趨勢，瀝青混凝土底砟層將是未來我國有砟軌道結構發展的重要方向之一。

3 瀝青混凝土底砟層結構設計方法

3.1 設計原則

瀝青混凝土底砟層厚度設計以滿足其在設計使用壽命周期內的功能性和結構性要求為原則，采用性能驗算法進行厚度設計。瀝青混凝土底砟層應具有防止雨水向基床滲透、確保降雨時列車運行安全性、減少維修作業的功能，因此在設計上應考慮瀝青混凝土層的疲勞破壞。此外，瀝青混凝土底砟層的永久變形量過大時，容易產生裂紋，也會使下部路基的變形量相應增大，所以還要考慮瀝青混凝土底砟層的永久變形。

疲勞開裂破壞和永久變形量是瀝青路面設計的主要控制指標，因此，現階段瀝青混凝土底砟層設計主要參考瀝青路面設計方法，通過對瀝青混凝土底砟層疲勞壽命和表面位移的驗算確定瀝青混凝土底砟層厚度。瀝青混凝土底砟層在軌道結構中的受力模式與瀝青路面仍然存在一定的差異。道路結構中，瀝青路面直接承受輪胎荷載的作用，然而，在鐵路軌道結構中，列車荷載經過鋼軌、軌枕和道砟層等介質擴散之后才傳遞至瀝青混凝土底砟層，因此一般不采用彈性層狀體系理論計算瀝青混凝土底砟層的應變，而是利用有限元建模計算列車荷載作用下瀝青混凝土底砟層的應變水平，進而進行疲勞破壞和永久變形量驗算。

3.2 設計荷載及使用壽命

鐵路軌道對下部結構的設計壽命要求較高，因此對瀝青混凝土底砟層設計壽命的要求遠高于瀝青路面，日本和法國對瀝青混凝土底砟層設計使用壽命要求分別為40年和60年。日本鐵路設計規范中規定，對于瀝青混凝土底砟層的疲勞破壞，僅考慮正常列車荷載的作用進行驗算；對于瀝青混凝土底砟層的變形量，則考慮偶爾通過的貨車和沖擊荷載等最大列車荷載進行驗算[26]。法國瀝青混凝土底砟層性能驗算則同時考慮60年壽命周期內的列車荷載以及上部結構施工期間的交通荷載。

3.3 疲勞驗算

疲勞驗算的目的是保證瀝青混凝土底砟層在設計使用壽命內承受的荷載作用次數不超過其疲勞破壞對應的允許荷載次數。瀝青混凝土底砟層的疲勞破壞主要受層底拉應變控制，驗算時拉應變水平一般通過有限元建模計算獲得。

日本瀝青混凝土底砟層疲勞驗算采用日本道路設計規范提供的設計方法，即美國地瀝青協會(AI)提出的力學—經驗設計方法。該方法中的疲勞方程是以試驗路數據為基礎，并考慮試驗室與野外條件的差異得出的經驗公式，其中計入了車輪行走位置的離散性的影響。然而，列車在軌道上運行時，荷載位置是固定的，其條件對瀝青混凝土層更為不利。因此日本鐵路規范在瀝青路面疲勞開裂經驗公式的基礎上引入60%的折減系數，采用式(1)計算瀝青混凝土底砟層疲勞破壞允許荷載次數

式中：NA為對應瀝青混合物層的疲勞破壞的允許荷載次數；εt為瀝青混合物層底面的拉伸應變(最大主應變)；EA為瀝青混合物層的動模量，MPa；C為瀝青混合物層的孔隙率Vv與瀝青量Vb的函數。

美國肯塔基大學基于有限元方法開發了鐵路道床結構設計程序Kentrack4.0[55]，用于分析美國3種不同形式的道床形式，包括不含瀝青混凝土層的普通結構(All-Granular)、取代底砟層的瀝青混凝土下墊層結構(Asphalt Underlayment)和底砟層與瀝青混凝土層組合結構(Asphalt Combination)。Kentrack程序針對2 種損傷模式分別進行驗算：瀝青混凝土層層底拉應變驗算用于控制瀝青混凝土層的疲勞開裂，路基頂部的壓應力驗算用于控制道床結構的永久變形。程序中利用式(4)計算瀝青混凝土層容許荷載重復作用次數。

式中：Na為瀝青層中的容許荷載重復作用次數；εt為瀝青層底部的水平拉應變，in/in；Ea為瀝青混凝土的動態模量，psi。

法國考慮60年壽命周期內的列車荷載以及上部結構施工期間的交通荷載，基于瀝青混凝土材料疲勞的疲勞強度，對瀝青層底面拉應變進行疲勞驗算[34]。首先通過室內疲勞試驗測得106次荷載對應的允許拉應變ε6，然后利用式(5)計算瀝青混凝土底砟層設計最大允許拉應變。通過有限元模型計算列車荷載作用下瀝青混凝土層層底拉應變水平εtadm，最后通過對比εtadm和ε6進行疲勞驗算。

式中：kc為與材料類型相關的調整系數；kr為與路基支承剛度相關的參數；ks為風險控制參數。

由于溫度變化導致不同季節的損壞分析結果不同，同時瀝青混凝土模量隨溫度變化也存在明顯的差異[56]。因此，設計中需要考慮季節的影響。一般采用Miner 準則對不同季節條件下瀝青混凝土底砟層的疲勞損傷進行疊加[26,31]。首先計算不同季節溫度條件下瀝青混凝土底砟層疲勞破壞的傷損度mAi，由式(6)求得；然后將春夏秋冬各季節的傷損度進行疊加，由式(7)計算總傷損度MA，并確認其值應小于1。當傷損度MA大于1 時，應重新研究瀝青基床表層。

式中：NAi為各季節對應允許荷載作用次數；ni為各季節內預測荷載發生次數；mAi為各季節對應傷損度；MA為總傷損度。

3.4 變形驗算

瀝青混凝土底砟層變形驗算是以控制瀝青混凝土局部變形，撓度角在允許范圍之內，不導致裂紋產生，且不影響軌道結構穩定性為目的。主要考慮列車荷載作用下的動變形和長期列車荷載作用下的永久變形2 個方面。

日本瀝青混凝土底砟層設計沿用普通底砟層的設計限制，以列車荷載作用下瀝青混凝土底砟層動變形不超過2.5 mm 作為控制條件，并限制路基模量最小值，控制路基永久變形量。法國、意大利和西班牙也通過規定路基模量最小值，控制設計使用年限內路基的永久變形量，對路基模量的要求見表2。

表2 瀝青混凝土底砟層對路基模量的要求Table 2 Requirements of asphalt subballast layer on subgrade modulus

美國Kentrack 程序利用經驗公式，根據有限元計算得到的路基頂面壓應力得到路基允許荷載作用次數，通過對比設計使用壽命周期內列車荷載作用次數，驗算路基永久變形。式(8)為計算采用的經驗公式[55]。

式中：Nd為路基允許荷載作用次數；σc為路基頂面壓應力；Es為路基頂面回彈模量。

4 瀝青混凝土底砟層材料設計關鍵指標

瀝青混凝土材料廣泛應用于道路工程，已有成熟的材料設計方法和較為完善的性能評價指標體系。由于瀝青混凝土底砟層與瀝青路面在結構形式、受荷模式、設計壽命以及功能要求等方面存在一定的差異性，瀝青混凝土底砟層對瀝青混凝土材料的要求與瀝青路面相比也有一定的差異性。目前世界范圍內普遍采用道路瀝青混凝土設計方法(馬歇爾設計法)和評價指標體系，在道路用密級配瀝青混凝土材料的基礎上對關鍵指標加以調整和控制，從而滿足瀝青混凝土底砟層的使用要求。

表3 底砟層用瀝青混合料參數Table 3 Parameters of asphalt concrete for use in asphalt subballast layer

防水抗滲是瀝青混凝土底砟層的主要功能之一，也是其區別于瀝青混凝土路面的最大特點。因此，瀝青混凝土底砟層要求瀝青混凝土材料具有良好的抗滲性。瀝青混凝土的抗滲性主要取決于瀝青混合料級配類型及空隙率大小，因此，目前瀝青混凝土底砟層實際工程應用中均采用密級配瀝青混合料，并通過調整級配和油石比大小控制其空隙率，從而滿足防水抗滲的性能要求。表3所示為各國用于瀝青混凝土底砟層瀝青混合料的部分材料參數。

5 結論

1)瀝青混凝土底砟層能夠滿足普通有砟軌道及高速鐵路有砟軌道的性能要求，且在防止地表水下滲、應力擴散以及減振降噪等方面具有出色的表現，能夠提高結構穩定性，減少維修工作量，提高使用壽命與耐久性，從而降低全壽命周期成本。

2)目前瀝青混凝土底砟層厚度設計主要基于瀝青路面設計采用的經驗公式，對瀝青混凝土底砟層服役環境、受力特征與瀝青路面的差異性的考慮不夠全面。一方面，由于瀝青混凝土底砟層受到道砟層的保護，受溫度應力和老化的影響較小，對瀝青混凝土的穩定性和耐久性較為有利；另一方面，需要考慮到瀝青混凝土底砟層設計使用壽命長，列車運行速度快、荷載作用頻率高，以及多雨條件下雨水滯留時間長、水分-荷載耦合作用顯著等因素的不利影響。

3)現有瀝青混合料設計方法和路用性能評價指標體系，對瀝青混凝土底砟層材料設計具有較好的適用性。但由于瀝青混凝土底砟層與瀝青路面工作環境和功能性的不同，仍需要對空隙率、油石比等關鍵指標進行針對性設計和評價。

4)瀝青混凝土底砟層較普通底砟層具有明顯的性能優勢，尤其是對提高路基穩定性具有積極的作用，將是未來我國有砟軌道結構發展的重要方向之一。