公鐵平交道口瀝青混凝土基層結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)*

郭慧峰 方明鏡 歐湘萍 肖 月

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430070)

0 引 言

鐵路路軌基礎(chǔ)面和公路平面在同一平面交互存在，由此而形成了相當(dāng)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(shè)背景，且沒(méi)有詳細(xì)準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)規(guī)范指導(dǎo)，缺乏嚴(yán)格統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn).同時(shí)，公鐵平交道口處的交通流存在一定的復(fù)雜性，道口板的設(shè)計(jì)也不盡合理，導(dǎo)致平交道口破損嚴(yán)重.

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明，引起道口多種病害的一個(gè)重要原因是軌下基礎(chǔ)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(fù)雜作用，導(dǎo)致地基土屈服產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)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(dāng)出現(xiàn)脫空的時(shí)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(yīng)力迅速增加，當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)其允許應(yīng)力值，也就導(dǎo)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(yán)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(yīng)盡量取35 cm以上的建議，以預(yù)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(duì)其進(jìn)行有限元模擬分析及施工設(shè)計(jì).倪富健等[7]在有限元假定的基礎(chǔ)上，對(duì)道路的路面結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行受力情況分析，從汽車輪載、溫度變化等多個(gè)方面進(jìn)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(yīng)力過(guò)大.馬新等[8]通過(guò)有限元軟件對(duì)不同輪載重量和水平力對(duì)路面剪應(yīng)力分布及層底拉應(yīng)力的影響進(jìn)行計(jì)算分析.得出輪載重量和水平力對(duì)路面最大剪應(yīng)力和層底拉應(yīng)力均具有較強(qiáng)的影響，基于路面允許拉應(yīng)力的壽命預(yù)估，交叉口路面的壽命呈幾何級(jí)數(shù)降低.本文基于防水減振型瀝青基層的道口鋪裝設(shè)計(jì)思路，運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行模擬分析，并開(kāi)展基于成本預(yù)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(shè)計(jì)提供技術(shù)參考.

1 瀝青墊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

在軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)鋪設(shè)一層瀝青混凝土材料墊層，形成一個(gè)全新的防水減振型基層結(jié)構(gòu)體系.將其鋪設(shè)在碎石層下作為加強(qiáng)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(lái)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(shè)在地基上，可將水轉(zhuǎn)移到側(cè)溝，并且基本上消除滲水對(duì)路基的影響，有效地改善和維持了基層承載能力.基于此，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)異同點(diǎn)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(hào)的軌道(雙軌間距1 435 mm)與混凝土枕(16 cm×22 cm×250 cm)，對(duì)道口區(qū)域的路面基層進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)預(yù)先擬定道口區(qū)域?yàn)?.5 m×3.5 m的長(zhǎng)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(shè)置為50 cm，鋪面厚度設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置35 cm壓實(shí)度為95%的級(jí)配碎石，再下面一層設(shè)置16 cm的瀝青層，并設(shè)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(shè)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(jiàn)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(chǔ)上，在基層下再設(shè)置一層附加底砟墊層，材料為壓實(shí)級(jí)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(shè)

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(shè)置在瀝青層兩側(cè)，具體見(jiàn)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(shè)置碎石層直接鋪設(shè)瀝青基層，厚度為54 cm，不設(shè)坡度道口區(qū)域之外仍用級(jí)配碎石鋪設(shè).在基層下再設(shè)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(jì)算

利用軟件ABAQUS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，以鐵路荷載為主建立簡(jiǎn)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(shè)層，主體上方建立兩個(gè)受力矩形模擬輪軌的受力面積，兩個(gè)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(shè)計(jì)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(dòng)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(yīng)力、最大豎向位移來(lái)驗(yàn)證方案的可靠性.模型中各材料參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 各層材料計(jì)算參數(shù)[9]

三種方案建立的模型簡(jiǎn)圖和劃分網(wǎng)格后的二維有限元模型，見(jiàn)圖6.模型建立完畢后，對(duì)模型的豎向應(yīng)力、豎向位移、豎向加速度進(jìn)行計(jì)算分析.

圖6 三種方案下的模型簡(jiǎn)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(chǔ)層底路徑輸出的應(yīng)力、位移、加速度計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)圖7a)～c).同時(shí)比較三個(gè)指標(biāo)的最大值，見(jiàn)圖7d).

圖7 各方案沿路徑輸出應(yīng)力、位移、 加速度及最大值比較

由圖7可知，方案一從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的層底狀態(tài)上來(lái)看，其最大豎向應(yīng)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(duì)方案二模型的受力情況進(jìn)行分析，較之方案一來(lái)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(chǔ)結(jié)構(gòu)的層底最大豎向應(yīng)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(duì)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(chǔ)結(jié)構(gòu)的層底最大豎向應(yīng)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(jià)格來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，見(jiàn)表2.

表2 基礎(chǔ)各層材料需求及造價(jià)

比較來(lái)看，方案一、二、三的最大豎向應(yīng)力大致相同，較方案一來(lái)看，方案二應(yīng)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??；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(lái)看，方案一、二、三的各個(gè)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(jì)角度看，方案一建設(shè)材料成本約為65萬(wàn)，方案二為71萬(wàn)，方案三約為162萬(wàn)；較方案一方案二增長(zhǎng)9.6%，方案三增長(zhǎng)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(shè)成本要顯著高于其他兩個(gè)方案.就時(shí)間成本來(lái)說(shuō)，方案二增加一層底砟，方案三增加瀝青層厚度，施工時(shí)間會(huì)相應(yīng)增加，耗費(fèi)的人力也會(huì)相應(yīng)增加.從道口的后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)來(lái)看，方案一的維護(hù)措施也較其他方案節(jié)約.因此，綜合來(lái)說(shuō)，方案一的建設(shè)維護(hù)成本最低，方案三最高.

實(shí)際方案應(yīng)用時(shí)，以文獻(xiàn)[10]為依據(jù)，需綜合考慮排水構(gòu)造、基礎(chǔ)層底受力、成本等各個(gè)因素.在重型交通荷載且經(jīng)濟(jì)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(jì)又實(shí)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(shè)計(jì)出三個(gè)不同的結(jié)構(gòu)方案，即方案一：16 cm木枕+ 35 cm級(jí)配碎石+16 cm瀝青層；方案二：16 cm木枕+35 cm級(jí)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(guò)ABAQUS軟件分別對(duì)三個(gè)方案模型的豎向應(yīng)力、豎向位移與豎向加速度進(jìn)行分析，及經(jīng)濟(jì)層面的比較，認(rèn)為方案一適合應(yīng)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(jì)條件允許的道口優(yōu)化工程中，應(yīng)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(jì)實(shí)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(xiàng)參數(shù)有待進(jìn)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(duì)道口的真實(shí)動(dòng)力響應(yīng)存在很大局限性，有待進(jìn)一步完善.