公铁平交道口沥青混凝土基层结构组合设计*

郭慧峰 方明镜 欧湘萍 肖 月

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室2) 武汉 430070)

0 引 言

铁路路轨基础面和公路平面在同一平面交互存在，由此而形成了相当数量的公路铁路平交道口[1].因既有道口低速、交通密度较小的建设背景，且没有详细准确的设计规范指导，缺乏严格统一的标准.同时，公铁平交道口处的交通流存在一定的复杂性，道口板的设计也不尽合理，导致平交道口破损严重.

经现场调研表明，引起道口多种病害的一个重要原因是轨下基础的下沉[2].由于道口区域的弹性模量与邻近区域不同，加之频繁受到水的渗流和车辆冲击荷载等复杂作用，导致地基土屈服产生塑性变形，进一步致使道床出现沉降而引起与结构面层的脱空.当出现脱空的时候，结构面层承受力的面积减少，这样使得结构面层的局部应力迅速增加，当应力值超过其允许应力值，也就导致铺面板出现破裂[3-4].刘世清[5]基于半刚性沥青路面裂缝病害严重状况，利用ANSYS有限元软件研究荷载作用下的沥青路面结构层受拉情况.得出半刚性基层厚度应尽量取35 cm以上的建议，以预防半刚性沥青路面裂缝的产生.杨震[6]在分析了多种不同材料、结构的道口形式后，得出轨道下沉数值90%以上是由于平交道口处的道床的下沉造成，并提出整体式组装平交道口，对其进行有限元模拟分析及施工设计.倪富健等[7]在有限元假定的基础上，对道路的路面结构的受力进行受力情况分析，从汽车轮载、温度变化等多个方面进行研究分析，得出道路交叉口处路面车辙产生的主要原因是沥青层表层的剪应力过大.马新等[8]通过有限元软件对不同轮载重量和水平力对路面剪应力分布及层底拉应力的影响进行计算分析.得出轮载重量和水平力对路面最大剪应力和层底拉应力均具有较强的影响，基于路面允许拉应力的寿命预估，交叉口路面的寿命呈几何级数降低.本文基于防水减振型沥青基层的道口铺装设计思路，运用有限元软件进行模拟分析，并开展基于成本预估与受力大小的方案比较，以期给现有平交道口的改良设计提供技术参考.

1 沥青垫层结构设计方案

在轨道基础结构内铺设一层沥青混凝土材料垫层，形成一个全新的防水减振型基层结构体系.将其铺设在碎石层下作为加强的轨道支撑层，由于沥青材料的粘弹属性，可缓和由路面传递下来的冲击力，并使压力均匀地分布到地基上；沥青材料的不透水性使其成为天然的防水层，铺设在地基上，可将水转移到侧沟，并且基本上消除渗水对路基的影响，有效地改善和维持了基层承载能力.基于此，设计方案中均使用沥青混凝土层为基层结构之一，不同方案的设计异同点为沥青层的厚度及其他层结构的层位与厚度.

方案采用普通型号的轨道(双轨间距1 435 mm)与混凝土枕(16 cm×22 cm×250 cm)，对道口区域的路面基层进行结构设计.设计预先拟定道口区域为2.5 m×3.5 m的长方形区域，道口区域下布置间距为24 cm的八根混凝土枕，道口区域外混凝土枕间距设置为50 cm，铺面厚度设置为13.4 cm，与钢轨等高.道口区域内沥青混凝土面层铺设4cm AC-13C+5.4 cmAC-20C+4 cmAC-25C，道口区域外将 AC-25C沥青混凝土厚度设为8 cm.具体方案如下：

方案一：图1为方案一道口结构图，在16 cm的混凝土枕下，设置35 cm压实度为95%的级配碎石，再下面一层设置16 cm的沥青层，并设置坡度为2%的横坡以便排出由碎石孔隙流下的水，在沥青层的两侧设置直径为6 cm的排水管，将水排到路基影响区之外.排水的构造可以做成两种不同的形式，见图2.

图1 方案一 道口结构图 (单位：mm)

图2 排水构造形式

方案二：图3为方案二道口结构图，在底基层为沥青混凝土层的基层结构基础上，在基层下再设置一层附加底砟垫层，材料为压实级配碎石，厚度为20 cm.排水构造上采用构造一的形式，但设

置3根排水管道，位置在沥青层的两端，排水管直径6 cm，均匀间隔2 cm设置在沥青层两侧，具体见图4.

图3 方案二 道口结构图 (单位：mm)

图4 排水构造三

方案三：图5为方案三道口结构图，在混凝土枕下不设置碎石层直接铺设沥青基层，厚度为54 cm，不设坡度道口区域之外仍用级配碎石铺设.在基层下再设置17 cm的碎石附加垫层.

图5 方案三道口结构图(单位：mm)

2 数值建模

2.1 ABAQUS模拟计算

利用软件ABAQUS对结构进行力学分析，以铁路荷载为主建立简化的结构横断面模型，结构主体为轨下结构的不同铺设层，主体上方建立两个受力矩形模拟轮轨的受力面积，两个矩形与主体结构用弹簧连接，模拟力的传递与分散.模型宽度2.5 m，各结构层厚度取方案设计厚度，地基深度取2～2.5 m，赋予每层不同材料特性，使结构的变形受力有材料依托.模型荷载采用幅值为125 000 kN的动力隐式荷载，左右轨道都取9.962 MPa.笔者选取三种方案的最大竖向应力、最大竖向位移来验证方案的可靠性.模型中各材料参数见表1.

表1 各层材料计算参数[9]

三种方案建立的模型简图和划分网格后的二维有限元模型，见图6.模型建立完毕后，对模型的竖向应力、竖向位移、竖向加速度进行计算分析.

图6 三种方案下的模型简图和划分网格 后的二维有限元模型

2.2 结果分析

各方案沿模型基础层底路径输出的应力、位移、加速度计算结果，见图7a)～c).同时比较三个指标的最大值，见图7d).

图7 各方案沿路径输出应力、位移、 加速度及最大值比较

由图7可知，方案一从基础结构的层底状态上来看，其最大竖向应力为8.51kPa，最大竖向位移为0.175 mm，最大竖向加速度为2.56 m/s2.对方案二模型的受力情况进行分析，较之方案一来看，其基层底部又附加一层底砟，因此，受力状态上要优于方案一.其基础结构的层底最大竖向应力为8.47 kPa，最大竖向位移为0.11 mm，最大竖向加速度为1.02 m/s2.对方案三模型，其沥青层厚54 cm，受力状态要明显由于其他两种方案.其基础结构的层底最大竖向应力为8.34 kPa，最大竖向位移为0.04 mm，最大竖向加速度为0.89 m/s2.

各层材料的用量从1:1的CAD的模型中截取，各材料价格来源于网络，见表2.

表2 基础各层材料需求及造价

比较来看，方案一、二、三的最大竖向应力大致相同，较方案一来看，方案二应力减小0.5%，方案三减小1.9%；三种方案的最大竖向位移区别较明显，较方案一而言，方案二位移减小37.1%，方案三减小77.1%，由于沥青层的加厚，方案三的竖向位移明显减小；从最大竖向加速度看，方案二比方案一小60.2%，方案三比方案一小65.2%.综合来看，方案一、二、三的各个受力结果逐渐优化，相比于在沥青层下加一层底砟的方案二，方案三增加沥青层的厚度可使基层结构的受力更好.

从经济角度看，方案一建设材料成本约为65万，方案二为71万，方案三约为162万；较方案一方案二增长9.6%，方案三增长150.4%.由于方案三沥青用量较方案一增加2倍，且沥青材料成本较高，所以其建设成本要显著高于其他两个方案.就时间成本来说，方案二增加一层底砟，方案三增加沥青层厚度，施工时间会相应增加，耗费的人力也会相应增加.从道口的后期运营维护来看，方案一的维护措施也较其他方案节约.因此，综合来说，方案一的建设维护成本最低，方案三最高.

实际方案应用时，以文献[10]为依据，需综合考虑排水构造、基础层底受力、成本等各个因素.在重型交通荷载且经济条件允许下，方案三优先选用；在轻型、中等交通荷载下，方案一、方案二优先选用.在一般城市、市郊等区域中，方案一为既经济又实用的基层结构方案，可优先考虑.

3 结 论

1) 采用沥青混凝土材料的基层形式设计出三个不同的结构方案，即方案一：16 cm木枕+ 35 cm级配碎石+16 cm沥青层；方案二：16 cm木枕+35 cm级配碎石+16 cm沥青层+20 cm底砟碎石；方案三：16 cm木枕+54 cm沥青层+17 cm底砟碎石.

2) 通过ABAQUS软件分别对三个方案模型的竖向应力、竖向位移与竖向加速度进行分析，及经济层面的比较，认为方案一适合应用于轻型、中等交通荷载的道口优化工程中，较方案三成本节约60%；方案三适合用于重型交通荷载且经济条件允许的道口优化工程中，应力较方案一减少1.9%，位移较方案一减小77.1%，加速度较方案一减小65.2%.且在城市、市郊等区域，经济实用的方案一可优先考虑.

3) 有待完善之处：道口原状基层的各项参数有待进一步明确；道口建立的有限元模型为沿铁路断面的二维模型，对道口的真实动力响应存在很大局限性，有待进一步完善.