高速铁路沥青道床材料的破坏模式与特征参数

铁路道床是轨下基础重要的组成部分，位于轨道结构与路基面之间，直接承受、传递并分散由钢轨传下的列车动荷载。道床性能直接影响高速铁路的运营安全、行车舒适与服务寿命。由于无砟轨道具有优良稳定性和少维修性，相对于散粒体的道砟道床，我国高速铁路广泛采用水泥混凝土无砟轨道。然而，水泥混凝土无砟轨道结构在实际应用中存在刚度大、振动强、噪声高、易开裂且修复极其困难等问题。 粗粒式密实性沥青混凝土兼具强度与柔性及优良的防水性能，国外许多国家已将其用于高速铁路道床中，而我国仅开展了少量以路基面防水为目的的试验性施工和初步的理论分析，处于初期研究阶段。全断面沥青轨下基础层相对于路基面防水沥青层具有明显的结构差异性，即前者除了防水功能要求外，还需要承担轨道传递下来的列车荷载。列车动荷载作用于沥青层上，沥青混凝土材料内部产生疲劳损伤积累。当损伤变形超过一定的限值，道床沥青层将产生破坏，进而引起轨道不平顺并危及行车安全。因此，明确高速铁路道床沥青混凝土材料的破坏模式与特征参数，是沥青道床结构能实际应用和推广的关键。 本项目采用动力有限元分析方法，优选沥青道床结构型式；针对最优结构组合，描述相应沥青层在不同列车动荷载作用下的受力状态；通过数值计算和室内试验相结合的手段，分析了高速铁路道床沥青层的破坏行为；提出了列车动载环境中道床沥青层的破坏判定准则和关键力学指标，构建了高速铁路沥青道床材料的特征参数评价体系。研究成果可为高速铁路全断面沥青道床的进一步研究和相关应用提供理论依据。 2100433B

道床材料直接影响高速铁路的运营安全、行车舒适与服务寿命。密级配沥青混凝土用于高速铁路道床支承层具有防水、减振、降噪、适应路基变形、易于维护且环保可回收等优势，但沥青层材料在轮轨荷载作用下存在损伤、劣化甚至破坏之风险。项目基于材料损伤与断裂力学理论，以沥青道床破坏模式与特征参数为内容，围绕解决道床沥青层受力状态与边界约束影响道床材料损伤演化作用机制的关键问题，采用理论分析、粘弹性有限元数值计算、室内沥青混凝土试件弯曲与单轴压缩破坏试验，结合相关实测资料，合理选取高速铁路沥青有砟和沥青无砟典型道床形式，并引入沥青混合料疲劳开裂机制，开展道床沥青混凝土材料的损伤演变、劣化机理及破坏行为研究，提出沥青道床材料的关键力学指标和破坏判定准则，揭示高速铁路道床沥青混凝土材料的破坏模式，构建沥青道床材料的破坏特征参数评价体系。研究成果可为我国高速铁路全断面沥青混凝土支承层的结构设计与工程应用提供理论指导。

沥青道床是用沥青或其他聚合材料将散粒道砟固化成整体或用沥青混凝土代替碎石道床的一种新型轨下基础。

沥青道床是用沥青或其他聚合材料将散粒道砟固化成整体或用沥青混凝土代替碎石道床的一种新型轨下基础。2100433B

道床功用

（1）承受来自轨枕的压力并均匀地传递到路基面上；

（2）提供轨道的给横向阻力，保持轨道的稳定；

（3）提供轨道弹性，减缓和吸收轮轨的冲击和振动；

（4）提供良好的排水性能，以提高路基的承载能力及减少基床病害；

（5）便于轨道养护维修作业，校正线路的平纵断面。

道床材料

为适应上述道床功能，道砟应具有以下性能：质地坚韧，有弹性、不易压碎和捣碎；排水性能好，吸水性差；不易风化，不易被风吹动或被水冲走。

用作道砟的材料有：碎石、天然级配卵石、筛选取卵石、粗砂、中砂及熔炉矿砟等。先用何种道砟材料，应根据铁路运量、机车车辆轴重、行车速度，结合成本和就地取材等条件来决定。我国铁路干线上基本使用碎石道砟，在次要线路上才使用卵石道砟、炉碴道砟。下面介绍碎石道砟的技术要求。

（1）道砟的分级

碎石道砟根据材料性能将道砟分为一级和二级。碎石道砟的技术参数有：反映道砟材质的材质参数，如：抗磨耗、抗冲击、渗水、抗风化、抗大气腐蚀等材料指标参数，为道砟材质的分级提供了法定依据；反映道砟加工质量的质量参数。表1-11列出道砟材质的分级指标。对于特重型轨道、隧道内轨道枕及宽轨枕轨道，应使用一级道砟，重型轨道力求作用一级道砟，其它轨道使用二级道砟。

（2）道砟级配

碎石道砟属于散粒体，其级配是指道砟粒径的级配对道床的物理力学性能、维修工作量有重要影响。现行标准是按级配要求，可保证道砟产品有最佳的颗粒组成。宽级配道砟由于道砟粒径的减小、大、小颗粒的相互配合以及道砟颗粒之间的填潢，使得道砟有更好的强度和稳定性，也有利于道床作业。

（3）道砟颗粒形状及清洁度

道砟的形状及表面状态对道床的性能有重要影响。一般而言，棱角分明，表面粗糙的颗 粒，对集料具有较高的强度和稳定性。凡长度大于该颗粒径1.8倍的称为针状颗 粒；厚度小于平均粒径0.6 倍的称为片颗粒。我国道砟标准规定针状指数和片状指数均不大于50%。

道床分为普通有砟道床、沥青道床和混凝土整体道床。

有砟道床通常由具有一定粒径、级配和强度的硬质碎石堆集而成，在次要线路上，也可以使用级配卵石或粗砂。沥青道床是为了改善普通石砟道床的散体特性而加入乳化沥青或沥青砂浆的结构形式。整体道床常为现浇钢筋混凝土结构，常用于不易变形的隧道内或桥梁上。