高寒地區高速鐵路全斷面瀝青混凝土防水封閉層抗裂措施研究

張新岡，蔡德鉤，閆宏業，包黎明，陳 峰，李泰灃

(1.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081;2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國鐵路總公司 工程設計鑒定中心，北京 100844)

近年來高速鐵路路基出現的翻漿冒泥等病害[1-8]與路基防水措施失效密切相關，傳統防水結構[9]滲水大多出現在嵌縫處。全斷面瀝青混凝土[10-11]的優點在于沒有任何伸縮縫及施工縫，避免出現薄弱部位，但是軌道板伸縮縫的溫度應力會對瀝青混凝土產生很大的應變，減小全斷面瀝青混凝土使用壽命。本文根據軌道板與瀝青混凝土界面特性，施行“兩布一膜”及“抗滑鋼釘”2種減小瀝青混凝土應變的工程措施，以期達到減小在溫度應力作用下瀝青混凝土防水封閉層拉應變的目的。

1 試驗方案

1.1 傳感器布置方案

圖1 布設平面示意

考慮瀝青混凝土防水封閉層的熱脹冷縮效應，在瀝青混凝土表面與澆注的底座板邊緣處布置應變計，監測瀝青混凝土表面應變隨時間的變化曲線。將3塊混凝土底座板(每塊底座板的尺寸為19.2 m×3.4 m×0.3 m)劃分為5個區域，見圖1。圖中括號內的數據是傳感器個數。在第1塊和第2塊底座板施工縫(從左至右)左右各1 m處布設2條光纖光柵表面應變測線，測線位于瀝青混凝土與底座板的邊緣處。

1.2 傳感器埋設方案

在標記安裝的位置用電鉆鉆孔，通過膨脹螺栓先固定傳感器的一端。拆卸傳感器另一端的安裝件，并固定安裝件底板，安裝件底板及螺栓孔涂抹AB膠。將待安裝的拉伸傳感器接入解調儀，在其活動端通過解調儀讀數來施加一定的預應力，原則上要求預應力不小于500 MPa。通過502膠將傳感器活動端快速粘在安裝件底板上，然后安裝壓片，固定好傳感器。

首先將固定好的傳感器串聯，通過解調儀觀察不合理的地方，并做出適當調整；然后粘貼板與扎帶，固定傳感器跳線，傳感器接入監測室解調儀；最后將安裝好的傳感器用彩鋼板封裝以防意外破壞，現場傳感器布設見圖2。

圖2 現場傳感器布設

每塊底座板的長度為19.2 m，設中間底座板中心為坐標原點，則從右端至原點各個傳感器的坐標依次為27.8，26.0，24.2，22.4，20.6，18.8，17.0，15.2，13.4，11.6，10.6，10.4，10.2，10.0，9.8，9.6，9.4，9.2，9.0，8.8，8.6，7.65，5.95，4.25，2.55，0.85 m，見圖3。

圖3 各個傳感器主要坐標示意(單位：m)

1.3 施工方案

在左側板伸縮縫左右1.2 m處瀝青混凝土上面層設置土工膜，見圖4。待土工膜設置完成后，在底座板板縫處施打穿透釘，穿透釘選用直徑18 mm，長40 mm的鋼釘。每平方米內安裝5顆穿透釘，其具體布置見圖5、圖6。釘頂部與瀝青混凝土層上表面齊平，下部貫入級配碎石層400 mm。利用沖擊鉆與直徑22 mm的鉆頭鉆透底座板與瀝青混凝土層，使用鐵錘與鐵纖將穿透釘安置到位，將底座板與瀝青混凝土層中的鉆孔用砂漿填筑。

圖4 土工膜平面(單位：mm)

圖5 穿透釘平面布置示意(單位：mm)

圖6 穿透釘剖面布置示意(單位：mm)

2 試驗結果

瀝青混凝土層整體應變見圖7。可知：瀝青混凝土層9.6 m處的應變分布范圍廣(7.6～11.6 m)，峰值小；-9.6 m 處應變分布范圍小(-10.6 ～-8.6 m)，峰值大。原因是9.6 m接縫處底座板與瀝青混凝土層之間鋪有土工布，減小了二者之間的作用力，并擴大了應變的作用范圍。此外，隨著溫度的降低，相鄰底座板接縫附近的瀝青混凝土層受拉；隨著溫度的升高，瀝青混凝土層受壓。原因是溫度降低時底座板收縮，由于底座板與瀝青混凝土層接觸面存在黏結力，導致接縫處瀝青混凝土層受拉；溫度升高時，作用剛好相反。

圖7 瀝青混凝土層整體應變(2018年)

圖8 設置土工布及未設置土工布瀝青混凝土應變(2018年)

設置土工布及未設置土工布應變見圖8。可知：未設置兩布一膜的位置(9.6 m)局部最大應變約為±550×10-6，設置兩布一膜的位置(-9.6 m)局部最大應變約為±400×10-6。說明設置土工布可顯著減小局部應變。原因是底座板與瀝青混凝土層之間鋪設了土工布，減小了二者之間的黏結力，并擴大了應變的作用范圍，使得瀝青混凝土層應變減小。

圖9 設置鋼釘后瀝青混凝土層應變(2018年)

設置鋼釘后瀝青混凝土層應變見圖9。可知，設置鋼釘后路肩局部瀝青混凝土層最大應變約為140×10-6。線路中心監測情況基本與路肩相同。原因是由于級配碎石層較厚，剛度較大，在瀝青混凝土防水層與級配碎石層之間設置鋼釘，使瀝青混凝土層與級配碎石層固結在一起共同運動。當溫度升高或降低時，底座板應變對瀝青混凝土層應變變化的影響會顯著減小。設置鋼釘前，只施加兩布一膜時，路肩部位瀝青混凝土層最大彎拉應變約為400×10-6，設置鋼釘后，最大彎拉應變約為140×10-6，下降幅度約為65%。

3 結論

1)在底座板與瀝青混凝土層之間設置兩布一膜可以有效地減小上界面黏結力，降低瀝青混凝土在軌道板伸縮縫處40%的應變。

2)在瀝青混凝土層與級配碎石層之間設置鋼釘可以增加下界面黏結力，降低底座板下方瀝青混凝土層的彎拉應變，在兩布一膜的基礎上再減小65%。

3)降低瀝青混凝土層應變的有效方法是減弱瀝青混凝土層上表面黏結力，增強下表面瀝青混凝土層與級配碎石層的黏結強度。

4)瀝青混凝土層在軌道板伸縮縫處受支撐層混凝土溫度應力作用的影響較大，采取必要的工程措施可以減小瀝青混凝土層的應變，防止瀝青混凝土層產生裂縫，提高其耐久性。

利用張航等人研究的量子行為粒子群優化(Quantum PSO, QPSO)算法對微型飛行器進行三維路徑規劃[2]，首先將三維坐標數據通過坐標變換和離散有限平面的方法化簡為一維數據，然后建立新地圖和粒子適應度函數，適應度函數決定了靜態和動態壁障的適應值，最后通過QPSO算法獲得一條全局最優路徑，對UAV+RFID數據模型進行計算可以得到一條S到F點的最優路徑，其中L2的長度為88.82。仿真結果如圖6所示。