高速鐵路路基瀝青混凝土結構研究現狀及發展趨勢

蔡德鉤，葉陽升，樓梁偉，石越峰，龐 帥

(1.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；2.北京鐵科特種工程技術有限公司，北京 100081；3.中國國家鐵路集團有限公司， 北京 100844)

高速鐵路因其運力大、能耗低、污染小等特點，已成為世界軌道交通發展的潮流。截至2021年底，我國鐵路營業里程達到了15萬 km以上，其中高鐵4萬 km，已成為世界上高速鐵路運營速度最高、運營里程最長的國家[1]。高速鐵路的高運行速度、高平順性和高安全性，對路基的穩定性和耐久性提出了嚴格要求。運營高速鐵路的個別路基工點出現凍脹、翻漿冒泥、濕陷下沉、膨脹上拱等病害，其發生和發展均與路基含水率的變化有關。因此，為保證路基的堅固和穩定，做好路基的防排水工作就顯得尤為重要。

隨著鐵路、道路工程等多學科的發展，眾多新材料、新結構、新工藝等不斷涌現。瀝青混凝土因其良好的防水性能和黏彈特性，逐步作為防止天然降水侵入路基的關鍵措施，應用到鐵路路基防水封閉工程中，國內外的專家學者圍繞鐵路瀝青混凝土開展了大量研究工作。本文圍繞鐵路路基瀝青混凝土的結構型式、材料性能、設計方法、應用情況及效果四大主題，論述國內外該領域的研究現狀、存在的問題及發展趨勢，為鐵路瀝青混凝土結構的學術研究與發展提供參考和借鑒。

1 結構型式

1.1 中國

2008年，我國提出了鐵路路基面防水瀝青混合料(Surface Asphalt Mixture Impermeable，SAMI)，主要用作無砟軌道兩側路基面非結構層的防水封閉層材料，即僅在兩側路肩鋪設，見圖1。然而，SAMI技術存在防水封閉層與軌道結構縱向結構縫的薄弱環節，同時受作業空間狹小、機械壓實困難等施工條件的限制，SAMI技術僅在成高子試驗段、遂渝試驗段、京津城際、武廣客專等進行了應用[2-3]。

圖1 高速鐵路SAMI防水層典型斷面

在SAMI技術深化研究的基礎上，中國鐵道科學研究院集團有限公司等單位提出采用自密實瀝青混凝土代替SAMI的方案，對兩側路肩和線間進行防水封閉，通過倒角設計解決了自密實瀝青混凝土與無砟軌道縱向接縫問題，其結構型式見圖2。通過依靠瀝青混凝土自身的流動成型，避免了壓實工序，有效解決了限制SAMI應用的難題，但因自密實瀝青混凝土綜合成本較高，其僅在哈齊客專中進行了試驗[4]。

圖2 高速鐵路自密實瀝青混凝土防水層典型斷面

近年來，中國鐵道科學研究院集團有限公司等單位提出了全斷面瀝青混凝土封閉結構，即在混凝土支承層(底座)或道砟層與基床表層級配碎石之間全斷面設置一定厚度的瀝青混凝土，實現對路基的防水保護[5]，見圖3。區別于SAMI防水層，全斷面瀝青混凝土封閉結構為結構層，應按照基床表層的組成部分進行結構設計，其厚度不應小于6 cm，具體可根據軌道結構類型、氣候分區、施工控制等因素綜合確定。

圖3 高速鐵路全斷面瀝青混凝土封閉結構典型斷面

1.2 日本

日本將瀝青混凝土作為基床表層強化層進行應用。《土工結構物設計標準和解說》[6]中，針對不同軌道結構類型，提出了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個路基性能等級，不同軌道結構型式及基床表層型式與路基性能等級的組合方式，見表1。其中性能等級I對應省力化軌道，可采用混凝土基床表層或瀝青基床表層，其典型結構為(自上至下)：19 cm軌道板或者軌枕、15 cm瀝青混凝土、15 cm級配碎石，見圖4；性能等級Ⅱ對應有砟軌道瀝青基床表層，其典型結構為(自上至下)：25～30 cm道砟、5 cm瀝青混凝土、15～60 cm級配碎石，見圖5；性能等級Ⅲ對應有砟軌道碎石道床結構[7-8]。

表1 軌道及基床表層結構型式與路基性能等級的組合

圖4 日本省力化軌道瀝青基床表層結構典型斷面(單位：mm)

圖5 日本有砟軌道瀝青基床表層結構典型斷面

1.3 美國

為解決重載鐵路軌道結構養護和既有道床不穩定等問題，美國提出了三種含瀝青混凝土的軌道結構型式，分別為取代底砟的瀝青墊層結構、位于底砟層上的瀝青組合結構和無砟瀝青組合結構(全厚式瀝青混凝土道床)，見圖6。瀝青混凝土的典型設計厚度約為12.5～15 cm，道砟層的厚度通常在20～30 cm，但在軟土路基及高應力區域，瀝青混凝土的設計厚度在20 cm以上。當采用全厚式瀝青混凝土道床時，其設計厚度為47.5 cm[9-11]。

1.4 德國

Getrac軌道系統包括A1與A3兩種方案，在Getrac-A1軌道結構體系中，瀝青混凝土可多層設置，其典型結構為：20 cm瀝青混凝土、30 cm水硬性支承層、50 cm底基層，或35 cm瀝青混凝土、60 cm底基層，見圖7；而Getrac-A3則將軌排直接鋪設在瀝青混凝土表面，軌枕通過彈性錨固塊與瀝青混凝土層連接，將來自軌排的橫向作用力傳遞到瀝青混凝土層，其典型斷面為：15 cm瀝青混凝土、30 cm水硬性支承層、50 cm底基層，或30 cm瀝青混凝土、60 cm底基層[9,12]。

1.5 法國

法國瀝青混凝土底砟層的典型結構為：30 cm碎石道砟、14 cm瀝青混凝土層、20 cm墊層、105 cm路基[12]，見圖8。相比于傳統有砟道床結構，由于設置瀝青混凝土底砟層，軌道結構的總厚度減小了36 cm，每公里可節約碎石材料約5 000 m3。

圖8 法國瀝青混凝土底砟層軌道結構典型斷面

1.6 其他國家

奧地利首條瀝青混凝土底砟層修建于1963年，且使用至今，瀝青混凝土的厚度為8～12 cm[13]。此外，意大利、西班牙、捷克等國將瀝青混凝土作為底砟層，其典型結構為：35 cm道砟層、12 cm瀝青混凝土底砟層、30 cm高壓實砂石或粒料土層；或35 cm道砟層、12～14 cm瀝青混凝土底砟層、30～40 cm防凍層、路基[14-16]。英國瀝青混凝土道床的厚度為23 cm，其上為支撐軌道的多種類型的混凝土結構[13]。荷蘭提出瀝青埋入式軌道(Embedded Rail in Asphalt，ERIA)，即將軌道結構直接置于瀝青混凝土表面之上[17]。

概括起來，瀝青混凝土在國內外鐵路工程中主要采用五種結構型式：①路基面防水層，以我國SAMI防水層、自密實瀝青混凝土防水層為主；②軌下基礎隔離層，以德國、荷蘭為代表；③基床表層強化層，以日本為代表，我國采用的全斷面瀝青混凝土封閉結構也屬于該類；④替代部分道砟的底砟層，代表國家包括美國、法國、意大利、西班牙等；⑤全厚式瀝青混凝土道床，主要在美國重載、高速鐵路得以應用。

2 材料性能

鐵路瀝青混凝土根據結構形式，可分為非全斷面功能層和全斷面結構層兩大類。非全斷面功能層的瀝青混凝土材料在保證其防水功能的前提下，僅需滿足水分、溫度、紫外線等環境因素作用下的耐久性；而全斷面結構層的瀝青混凝土材料，由于受到上部軌道結構傳遞的列車荷載作用，需重點考慮瀝青混凝土的承載能力、抗疲勞等性能。

2.1 非全斷面功能層

2.1.1 SAMI混合料

方明鏡等人提出了SAMI混合料應考慮其防滲性能、低溫抗裂性能、高溫穩定性及水穩定性；針對經攤鋪碾壓形成的路基面防水層應選用壓實度(≥98%)、滲透系數(≤10-6cm/s)、厚度、橫坡、外觀等指標進行評價[18-21]。邱延峻等通過室內試驗，建立了溫度分區與SAMI混合料類型的匹配關系，提出了SAMI混合料的配合比設計方法以及SAMI混合料的性能要求[22]，見表2～表4。

表2 適應不同溫度分區的SAMI混合料類型

表3 SAMI混合料的級配范圍的質量百分率 %

表4 SAMI混合料的技術要求

2.1.2 自密實瀝青混凝土

王征[24]以溫度應力為主要指標，運用Abaqus分析軟件確定了自密實瀝青混凝土防水層的最小厚度為5 cm，在室內配制了自密實瀝青混凝土，并從防水性能、低溫抗裂性、高溫穩定性、水穩定性、與構造物聯結性能、施工便利性等方面提出了自密實瀝青混凝土的材料技術要求，見表5。朱海洋等[25]通過室內對比試驗，研究了瀝青膠砂重熔對自密實瀝青混凝土的性能影響規律，形成了自密實瀝青混凝土的施工工藝。相關研究成果在哈齊客專進行試用[26]。

表5 哈齊客專自密實瀝青混凝土的技術要求

2.2 全斷面結構層

針對無砟軌道結構體系，中國鐵道科學研究院集團有限公司等單位研制了專用改性瀝青，評價了密級配瀝青混凝土的防水、抗水損害、高溫抗變形、低溫抗開裂、抗疲勞、力學、界面摩擦等性能，并依托京張高鐵、鄭萬高鐵工程進一步驗證了瀝青混凝土材料的性能，形成了相關材料性能的技術要求[28-29]，見表6。

表6 全斷面碾壓密實瀝青混凝土的技術要求

從耐候性角度，我國全斷面結構層用瀝青混凝土應按軌道結構下方和路肩兩部分考慮，其中軌道結構下方的瀝青混凝土避免了與空氣、紫外線的接觸，無需考慮軌道下方瀝青混凝土的抗老化性能；而路肩的瀝青混凝土應考慮其抗熱氧和抗紫外老化性能，在材料組成設計方面應選用抗老化性能優異的專用改性瀝青[30-31]，在配合比設計方面應將空隙率控制在4%之內、將瀝青用量提高0.1%～0.3%，提高瀝青混凝土的抗老化性能。由于路肩的瀝青混凝土便于維修，若出現材料老化情況，可采取相應的抗老化性能提升技術進行修復。國外瀝青混凝土也采用低設計空隙率和高瀝青用量的思路進行配制。例如，日本鐵路瀝青混凝土的最大粒徑為20 mm，空隙率3%～7%的密級配瀝青混凝土，其油石比在3%～7%之間[32]；意大利采用Marshall方法配合比設計，瀝青混凝土的空隙率在4%～7%之間，油石比為4.1%～4.8%，壓實度≥98%[9-10]；法國選用空隙率<4%的密級配瀝青混凝土，其在15 ℃、10 Hz條件下的模量應≥11 000 MPa[14]；美國建議選用高速公路的密級配瀝青混凝土材料，最大骨料粒徑為25～37.5 mm，具體可參照美國瀝青協會的技術標準執行，但鐵路瀝青混凝土的設計空隙率按照1%～3%進行控制，瀝青用量需在公路最佳瀝青用量的基礎上增加0.5%[33]。

3 設計方法

鐵路瀝青混凝土應以保證設計使用年限內的功能性和結構性要求為原則進行設計，其中功能性要求通過材料性能控制來實現，而結構性要求主要通過結構驗算確定。輪軌力通過軌道結構傳遞至瀝青混凝土層，在列車循環動荷載作用下，瀝青混凝土層可能會出現疲勞開裂破壞[34]。若瀝青混凝土層產生較大永久變形或基床表層產生較大變形，容易導致瀝青混凝土層的開裂[35]。在低溫條件下，瀝青混凝土材料內部溫度應力超過該溫度下材料的允許應力時，會產生裂縫。此外，閆宏業、蔡德鉤等人的研究表明，在周期性溫度荷載作用下，由于無砟軌道與瀝青混凝土結構的相互作用，在單元式混凝土支撐層伸縮縫處存在較大的應力集中，需對該位置進行表層被動拉伸驗算[36-37]。綜上所述，鐵路路基瀝青混凝土結構需開展疲勞開裂驗算、永久變形驗算、低溫開裂驗算和表層被動拉伸驗算。

3.1 疲勞開裂驗算

疲勞驗算的判斷準則是保證瀝青混凝土層疲勞破壞對應的容許作用次數大于設計年限內的實際作用次數。疲勞破壞對應的容許作用次數主要與瀝青混凝土材料特性和其層底拉伸應變水平有關。設計年限內的實際荷載作用次數應根據軌道結構類型、列車編組情況、設計年限等綜合確定。

日本在鐵路瀝青基床表層設計中，采用有限元方法替代傳統瀝青路面的多層彈性層狀體系理論，考慮不同溫度條件下瀝青混凝土的損傷程度，引入Miner準則，以瀝青混凝土結構在不同季節下的總損傷度判斷其是否發生疲勞開裂，總損傷度計算式為式( 1 )。

若損傷度MA≤1，可滿足驗算；若總損傷度MA>1，應調整瀝青混凝土結構的厚度或提高材料彈性模量。

( 1 )

式中：MA為瀝青混凝土結構的總損傷度；NDi為瀝青混凝土結構在不同季節的荷載作用次數；NAi為瀝青混凝土結構在不同季節下疲勞破壞對應的容許作用次數。

有砟軌道瀝青混凝土允許荷載作用次數計算式為

( 2 )

式中：NA為瀝青混凝土結構疲勞破壞對應的容許作用次數；C為瀝青混凝土材料空隙率VV與瀝青量Vb的函數C=10M，M=4.84[Vb/(VV+Vb)-0.69]；εt為瀝青混凝土結構層底拉應變，10-6；EA為瀝青混凝土的變形系數，MN/m2。

計算有砟軌道瀝青混凝土允許荷載作用次數時，由于列車在軌道上運行，不具有走行位置的離散性，其荷載條件更為不利，故在式( 2 )的基礎上引入60%的折減系數[6]。

美國肯塔基大學提出了適用于有砟軌道結構設計和力學特性分析的KENTRACK設計方法，可用于分析不含瀝青混凝土的普通道床、取代底砟的瀝青墊層結構和位于底砟層上的瀝青組合結構三種軌下基礎[38]。其中，瀝青混凝土結構疲勞破壞的容許作用次數Na和預估服役壽命L為

( 3 )

( 4 )

式中：Na為瀝青混凝土結構疲勞破壞對應的容許作用次數，次；εt為瀝青混凝土結構層底拉應變，10-6；Ea為瀝青混凝土的動態模量，MPa；L為預測使用壽命，年；Np為每個季節預測荷載作用次數；Nai為每個季節瀝青混凝土結構容許作用次數。

3.2 永久變形驗算

日本相關研究表明，瀝青基床表層的永久變形量極小，故對基床的殘余變形進行檢算，同樣采用損傷度進行控制，其基床殘余變形對應的容許作用次數計算式為[37]

( 5 )

式中：Ns為基床殘余變形對應的容許作用次數，次；εz為基床頂面的壓應變，10-6。

有砟軌道主要通過控制瀝青混凝土不產生裂紋的撓度角來實現，以瀝青基床表層的動變形≤2.5 mm為控制標準[34]。美國KENTRACK進行基床頂面永久變形驗算式為[38]

( 6 )

式中：Nd為基床允許荷載作用次數；σc為基床頂層壓應力；Es為基床模量。

為保證設計使用年限內路基的永久變形量在允許限制內，各國對采用瀝青混凝土的鐵路路基模量作出系列規定，如日本規定路基的K30≥110 MN/m，意大利規定路基的Evd≥80 MPa，西班牙、法國規定路基的Ev2≥80 MPa[8,37,39]。

3.3 低溫開裂驗算

瀝青混凝土產生的低溫開裂主要由環境溫度變化造成，與瀝青混凝土材料自身材料性能密切相關，而與是高速列車荷載還是汽車輪載作用關系并不密切。故公路瀝青路面中低溫開裂驗算具有較強的參考價值。我國針對季節性凍土地區瀝青路面面層，按式( 7 )驗算其低溫開裂指數CI，且CI計算值應小于等于CI允許值，否則應改變選用的瀝青材料，直至滿足要求[40]。高速、一級公路的CI允許值為3，二級公路為5，三級、四級公路為7。

( 7 )

式中：CI為瀝青面層低溫開裂指數；T為路面低溫設計溫度，為連續10年年最低氣溫平均值，℃；St為在路面低溫設計溫度加10 ℃試驗溫度條件下，表面層瀝青彎曲梁流變試驗加載180 s時蠕變勁度，MPa；ha為瀝青結合料類材料層厚度，mm；b為路基類型參數，砂b=5，粉質黏土b=3，黏土b=2。

3.4 被動拉伸驗算

中國鐵道科學研究院集團有限公司等單位依托京張高鐵全斷面瀝青混凝土封閉結構工程試驗段，在足尺單元式(19.2 m×3.4 m×0.3 m)混凝土支承層邊緣布設分布式光纖光柵應變計，監測瀝青混凝土結構在支承層邊緣處的表面應變分布規律。監測和仿真計算結果表明：在支承層伸縮縫位置處，瀝青混凝土結構表面存在明顯的應力集中現象，拉應變最大值約為800～850×10-6，這主要是由于支承層與瀝青混凝土結構之間存在黏結力，支承層收縮導致了伸縮縫處瀝青混凝土層的被動拉伸，被動拉伸呈現“高應變、低周期”的特點[41-42]。通過在支承層與瀝青混凝土結構之間界面設置隔離層，可有效削減被動拉伸現象[43]。但因缺少準確表征被動拉伸破壞的試驗方法，尚未形成針對我國高速鐵路瀝青混凝土結構被動拉伸的驗算方法。

4 應用情況及效果

20世紀60年代以來，瀝青混凝土因其良好的防水性、耐久性和施工便利性等特點，被廣泛應用于國外鐵路工程的建設。經調研，部分國外鐵路瀝青混凝土的應用情況，見表7。

表7 部分國外鐵路瀝青混凝土應用情況統計

美國肯塔基大學與美國鐵路運輸技術中心TTCI就有砟軌道瀝青混凝土底砟層的耐久性進行了長期跟蹤研究，結果表明：①因受道砟覆蓋，瀝青混凝土不存在高溫較大豎向變形；②瀝青混凝土受地溫影響，不存在低溫開裂；③由于不存在車輪所產生的真空負壓作用，基本不存在瀝青混凝土的松散、剝落、磨損等；④瀝青混凝土的設計空隙率為1%～3%，加之在道砟隔絕下無明顯的老化與硬化；⑤由于瀝青混凝土的空隙率較低、瀝青用量較高、所處溫度較溫和，其具有較好的疲勞耐久性。在2007年的測試中，部分段落的瀝青混凝土已正常服役近30年[44]。奧地利于1963年修建，期間未經歷養護維修，已正常服役至今，驗證了鐵路瀝青混凝土的耐久性[45]。

自2004年以來，我國先后在遂渝、京津、京張、鄭萬、牡佳等線路中進行了瀝青混凝土結構的試驗和應用，見表8。其中SAMI因施工作業空間狹小、無法采用大型機械施工等，導致SAMI的空隙率較大、集料與瀝青黏附性較差等問題，表現為服役期間出現SAMI開裂、松散、剝落等病害[3]；采用非全斷面自密實和全斷面碾壓密實瀝青混凝土結構的段落，總體情況良好，瀝青混凝土表面密實完整，無剝落、松散和坑槽等情況出現，防水效果優良，應用段落內未出現凍脹融沉、翻漿冒泥、基床軟化等病害[46-48]；同時，全斷面瀝青混凝土結構可降低軌道結構振動，改善基床受力狀態，基床表層動應力可降低約10%[49-50]。此外，全斷面瀝青混凝土結構實現了高鐵路基整體化長效防水，消除了傳統防水封閉層結構縫及其嵌縫材料，按照常用嵌縫材料60年更換4次，綜合單價為80元/m，僅此一項可綜合節約140～160萬元/km，大幅降低了全生命周期運維成本。

表8 國內鐵路瀝青混凝土結構試驗和應用情況

5 結論與發展趨勢

本文對國內外鐵路瀝青混凝土的結構型式、材料性能、設計方法、應用情況及效果進行總結分析，得到以下主要結論：

(1)瀝青混凝土在鐵路工程中主要用作路基面防水層、軌下基礎隔離層、基床表層強化層、替代部分道砟的底砟層以及全厚式瀝青混凝土道床五類。我國提出的SAMI防水層和自密實瀝青混凝土防水層屬路基面防水層，而全斷面瀝青混凝土封閉結構可作為基床表層的強化層，同時兼具防水、隔離等功能，其最小設計厚度為6 cm。

(2)針對非全斷面功能層和全斷面結構層瀝青混凝土材料的使用特點和功能要求，我國提出了SAMI混合料、自密實瀝青混凝土、全斷面碾壓密實瀝青混凝土材料的指標體系及技術要求，形成了上述三種瀝青混凝土材料的配制技術。

(3)高速鐵路路基瀝青混凝土結構需針對疲勞開裂、低溫開裂、被動拉伸四種破壞模式進行驗算。其中，被動拉伸與我國軌道結構特點密切相關，該種破壞模式呈現出“高應變、低周期”，但受試驗條件與方法的限制，尚未形成相應的驗算方法。

(4)應用實踐表明，高速鐵路路基瀝青混凝土結構具有承載、防水、減振、降噪、隔離、耐久等功能與特點，特別是在我國鄭徐、京張、鄭萬等線路采用的全斷面瀝青混凝土封閉結構，改善了軌道向基床的剛度過渡與基床的受力狀態，基床表層動應力可降低約10%；消除了傳統防水封閉層全部結構縫，減少了路基病害，降低了運維成本。

基于上述分析與總結，我國高速鐵路路基瀝青混凝土結構的發展趨勢可歸納為以下幾點：

(1)完善高速鐵路路基瀝青混凝土材料體系與設計方法。基于材料結構一體化設計理念，在滿足結構性和功能性要求的前提下，進一步深化研究高速鐵路路基瀝青混凝土材料指標體系，特別是研究適應“一帶一路”沿線復雜氣候條件的路基瀝青混凝土配制技術，提升技術經濟性。基于我國氣候差異大與軌道結構類型多樣的特點，構建高速鐵路路基瀝青混凝土結構和性能設計方法。

(2)跟蹤研究高速鐵路路基瀝青混凝土長期服役性能。開展鐵路瀝青混凝土在不同氣候、軌道結構類型等工況條件下的工程應用，采用室內試驗、現場試驗、長期監測等手段，研究鐵路瀝青混凝土結構的服役行為演變規律，全面評價高速鐵路路基瀝青混凝土結構的長期服役性能。

(3)優化高速鐵路軌道與路基結構體系。現有研究成果和工程實踐表明，瀝青混凝土結構具有優良的力學承載性能，能顯著改善軌道向路基的剛度過渡、基床結構的受力狀態和軌道-路基系統的振動特性，為軌道與路基結構的優化創造了有利條件，同時也為豐富我國高速鐵路軌道與路基結構提供了新的技術思路。