高寒地區(qū)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(yè)，包黎明，陳 峰，李泰灃

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)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(shè)計(jì)鑒定中心，北京 100844)

近年來高速鐵路路基出現(xiàn)的翻漿冒泥等病害[1-8]與路基防水措施失效密切相關(guān)，傳統(tǒng)防水結(jié)構(gòu)[9]滲水大多出現(xiàn)在嵌縫處。全斷面瀝青混凝土[10-11]的優(yōu)點(diǎn)在于沒有任何伸縮縫及施工縫，避免出現(xiàn)薄弱部位，但是軌道板伸縮縫的溫度應(yīng)力會(huì)對(duì)瀝青混凝土產(chǎn)生很大的應(yīng)變，減小全斷面瀝青混凝土使用壽命。本文根據(jù)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(yīng)變的工程措施，以期達(dá)到減小在溫度應(yīng)力作用下瀝青混凝土防水封閉層拉應(yīng)變的目的。

1 試驗(yàn)方案

1.1 傳感器布置方案

圖1 布設(shè)平面示意

考慮瀝青混凝土防水封閉層的熱脹冷縮效應(yīng)，在瀝青混凝土表面與澆注的底座板邊緣處布置應(yīng)變計(jì)，監(jiān)測(cè)瀝青混凝土表面應(yīng)變隨時(shí)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(gè)區(qū)域，見圖1。圖中括號(hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)是傳感器個(gè)數(shù)。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(shè)2條光纖光柵表面應(yīng)變測(cè)線，測(cè)線位于瀝青混凝土與底座板的邊緣處。

1.2 傳感器埋設(shè)方案

在標(biāo)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(diào)儀，在其活動(dòng)端通過解調(diào)儀讀數(shù)來施加一定的預(yù)應(yīng)力，原則上要求預(yù)應(yīng)力不小于500 MPa。通過502膠將傳感器活動(dòng)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(lián)，通過解調(diào)儀觀察不合理的地方，并做出適當(dāng)調(diào)整；然后粘貼板與扎帶，固定傳感器跳線，傳感器接入監(jiān)測(cè)室解調(diào)儀；最后將安裝好的傳感器用彩鋼板封裝以防意外破壞，現(xiàn)場傳感器布設(shè)見圖2。

圖2 現(xiàn)場傳感器布設(shè)

每塊底座板的長度為19.2 m，設(shè)中間底座板中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，則從右端至原點(diǎn)各個(gè)傳感器的坐標(biāo)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(gè)傳感器主要坐標(biāo)示意(單位：m)

1.3 施工方案

在左側(cè)板伸縮縫左右1.2 m處瀝青混凝土上面層設(shè)置土工膜，見圖4。待土工膜設(shè)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(nèi)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(jí)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(yàn)結(jié)果

瀝青混凝土層整體應(yīng)變見圖7。可知：瀝青混凝土層9.6 m處的應(yīng)變分布范圍廣(7.6～11.6 m)，峰值?。?9.6 m 處應(yīng)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(kuò)大了應(yīng)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(shí)底座板收縮，由于底座板與瀝青混凝土層接觸面存在黏結(jié)力，導(dǎo)致接縫處瀝青混凝土層受拉；溫度升高時(shí)，作用剛好相反。

圖7 瀝青混凝土層整體應(yīng)變(2018年)

圖8 設(shè)置土工布及未設(shè)置土工布瀝青混凝土應(yīng)變(2018年)

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

圖9 設(shè)置鋼釘后瀝青混凝土層應(yīng)變(2018年)

設(shè)置鋼釘后瀝青混凝土層應(yīng)變見圖9?？芍O(shè)置鋼釘后路肩局部瀝青混凝土層最大應(yīng)變約為140×10-6。線路中心監(jiān)測(cè)情況基本與路肩相同。原因是由于級(jí)配碎石層較厚，剛度較大，在瀝青混凝土防水層與級(jí)配碎石層之間設(shè)置鋼釘，使瀝青混凝土層與級(jí)配碎石層固結(jié)在一起共同運(yùn)動(dòng)。當(dāng)溫度升高或降低時(shí)，底座板應(yīng)變對(duì)瀝青混凝土層應(yīng)變變化的影響會(huì)顯著減小。設(shè)置鋼釘前，只施加兩布一膜時(shí)，路肩部位瀝青混凝土層最大彎拉應(yīng)變約為400×10-6，設(shè)置鋼釘后，最大彎拉應(yīng)變約為140×10-6，下降幅度約為65%。

3 結(jié)論

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

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

3)降低瀝青混凝土層應(yīng)變的有效方法是減弱瀝青混凝土層上表面黏結(jié)力，增強(qiáng)下表面瀝青混凝土層與級(jí)配碎石層的黏結(jié)強(qiáng)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(yīng)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(yīng)變，防止瀝青混凝土層產(chǎn)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(yōu)化(Quantum PSO, QPSO)算法對(duì)微型飛行器進(jìn)行三維路徑規(guī)劃[2]，首先將三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過坐標(biāo)變換和離散有限平面的方法化簡為一維數(shù)據(jù)，然后建立新地圖和粒子適應(yīng)度函數(shù)，適應(yīng)度函數(shù)決定了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壁障的適應(yīng)值，最后通過QPSO算法獲得一條全局最優(yōu)路徑，對(duì)UAV+RFID數(shù)據(jù)模型進(jìn)行計(jì)算可以得到一條S到F點(diǎn)的最優(yōu)路徑，其中L2的長度為88.82。仿真結(jié)果如圖6所示。