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1、黑龙江高铁路基沥青防水封闭层设计,东南大学-蒙纳什大学联合研究生院(苏州),2/2/2023,小组成员：程启秀、陈祥龙、孙川,2/2/2023,2,目录,1.概述,2.国内外研究现状,3.设计方案,4.测试评价,2/2/2023,3,1.概述,高铁路基，除受列车的动力作用外，还受到自然界中的不利气候和地质条件的影响，如果防护不当，雨、雪会很快会从路基表面和边坡进入土体，导致基床的变形、隆起、翻浆冒泥或冻胀等病害，严重响行车安全。,2/2/2023,4,1.概述,属于中温带亚湿润季风气候区，其气候特点是：四季分明，春季干旱多大风，夏季湿润多降雨，秋季凉爽多早霜，冬季寒冷而漫长。年平均气温4.48
2、.4，极端最高温度36.139.8，极端最低温度-39.9-32.8，年平均降雨量481.8682.7mm，年平均蒸发量1226.01781.5mm，平均相对湿度62%65%，最大积雪厚度1730cm，最大季节冻土深度137205cm。,黑龙江气候环境：,地处严寒地区，冬季寒冷且漫长、季节性冻深大且范围广、土的冻胀敏感性高且沿线均布、地(表)下水丰富且埋深浅是在黑龙江修建高铁最鲜明的特点。由于无砟轨道对路基变形要求近乎苛刻，因此，采取有效措施减小冻胀量、将路基变形控制在无砟轨道允许的调整范围内，是路基防冻胀设计的难点及重点所在。,引起冻胀的主要因素有三个：负温、易冻胀的土和水分。,2/2/20
3、23,5,1.概述,对于地下水：封堵隔断对于地表水：防排水设施,疏堵结合多重保障,传统做法,2/2/2023,6,2.国内外研究现状,对于路基表层的防水问题，国外研究得较早。以前苏联为首的铁路合作组织，在1965年制定了“关于增强路基基床承载力的建议”，认为基床变形最普遍的原因是由于大气降水导致路基湿度增大，土壤物理力学性能改变，从而造成承载力的下降，因此认为，在加强路基表层强度的同时，还应在基床与道床之间铺设防水覆盖薄层。关于隔水层的材料，经试验研究采用了天然沥青、沥青掺砂混合物、沥青橡胶粉混合物、细粒砂与胶泥残渣混合物等，均有明显的隔水效果。,2/2/2023,7,2.国内外研究现状,联邦
4、德国从1970年开始对路基病害进行防治研究，提出在非渗水性基床和道碴之间增设20cm厚的具有过渡性能的路基保护层(PSS)。该层由严格的级配碎石碾压而得，要求渗透系数106m/s，这样一般的雨水基本不会渗人基床。,法国在路基中增设垫层，起到了保护路基免受道砟压坏和雨水的侵蚀、减轻路基冻害、使下部路基土均匀受力等作用。,2/2/2023,8,2.国内外研究现状,美国很早就开始研究沥青胶结层防水技术，在路基表层采用厚约10cm的HMA作为路基面防水垫层。既能提高道床的承载力，改善应力分布状态，对路基基床起到隔水和加强作用，同时又能使道床与路基很好的凝聚和强化，减少维修费用。,2/2/2023,9,
5、2.国内外研究现状,日本多年来不断对路基病害的整治进行研究，在1978年制定的“土工结构物设计标准”中，提出强化基床表层的两种方法，一种是路基表层采用强度高又不透水的水硬性级配高炉炉碴碎石层，另一种是在级配碎石层上铺5cm厚的沥青混凝土，这样可以消除路基基床内含水量的波动、有助于基床的受力分布、固定底硫层的滑动等作用。,2/2/2023,10,2.国内外研究现状,荷兰在路基面设置了厚50cm的霜冻保护层，该层材料通常为水泥混凝土，但现在也开始尝试采用沥青混凝土，被称作ERIA(Embedded Rail In Asphalt)。意大利也用沥青混凝土作为高速铁路路基面的防水层,该层位于底砟层,起
6、到防水和分散应力作用。,国外铁路将沥青混凝土防水层同时作为结构层全断面整体铺设，以利于分散和降低列车对路基的动应力和减轻基床内含水量的波动，同时有助于基床的受力分布、固定底砟层的滑动等作用。,2/2/2023,11,2.国内外研究现状,国内客运专线一般也用沥青混凝土作为基床表层防水材料，其中正线主要采用路肩式封闭，场站一般采用全断面封闭。,(1)遂渝铁路试验段路基面防水层铺设了10cm厚中粒式沥青混凝土层,并对混合料的渗透系数和空隙率作了粗略规定。,(2)京津城际铁路路基面防水层设计主要有三种形式：无砟轨道正线间(后变更为水泥混凝土)及路肩范围，铺设1cm厚稀浆封层+1cm厚单层沥青表面处治；
7、在站场范围内，铺设4cm密级配细粒式沥青混凝土(AC-13);在铁路路基基床底层表面加铺1cm的单层沥青表面处治封层。,2/2/2023,12,3.设计方案,3.1 防水封闭层功能分析：,用以防止路基面的水分下渗至基床内部，同时具备足够的强度。,2/2/2023,13,3.设计方案,地表水下渗的主要途径：,(1)路基表面存在着混凝土底座板间的沉降缝、纤维混凝土间的伸缩缝、纤维混凝土与底座板间等各种结构缝，接缝采用的沥青软膏或聚氨酯等封堵材料，在混凝土热胀冷缩作用下会压缩与脱裂，导致接缝封堵失效，地表水下渗；(2)路肩两侧的电缆槽是在路基碾压成型后开挖，电缆槽与路基本体的纵向界面很难保证密实不透
8、水，降水时电缆槽成了汇水沟，积水通过预制节段间及槽底向路基渗透，电缆槽与路基的纵向界面是地表水下渗的重要途径之一。同时由于电缆槽在路肩两侧采用下挖设置，在冻融季节降水情况下，由于电缆槽的存在，路肩两侧先期冻结，不仅阻碍了路基本体内的水分顺利排出，而且使地表水向路基中心渗透；(3)路基表层的纤维混凝土或沥青混凝土防水层在东北恶劣的气候环境下反复热胀冷缩作用下容易不断出现新裂纹，导致地表水下渗。,2/2/2023,14,3.设计方案,3.2 防水封闭层性能要求：,(1)良好的渗透性能:防水层最主要的功能就是防止水流渗过混合料。所以，必须保证所研究的沥青混合料具有较好的防渗性能。由于功能要求，在沥青
9、混合料的诸多性质指标中，渗透性能属于根本性指标。只有在渗透系数满足要求的前提下，才能进行其他指标的优化。,(2)良好的低温抗裂性能:高铁路基面防水封闭层铺设于级配碎石之上，无荷载作用。所以，其产生的裂缝绝大部分应属于温缩裂缝。为了保证防水封闭层的持久耐用，必须充分考虑到沥青混合料的低温抗裂性，尽可能的减少裂缝的产生。,2/2/2023,15,3.设计方案,3.2 防水封闭层性能要求：,(3)良好的水稳定性:沥青混凝土浸水饱和后，矿料表面沥青膜受到水的剥离作用，力学性质有所降低。而防水封闭层处于路基表面，长期受各种自然因素的作用(尤其是水的作用)，为保证较长的使用年限，防止沥青混合料过早的丧失使
10、用特性，必须要求其水稳定性达到一定的技术标准。,(4)良好的高温稳定性:沥青混合料是典型的粘弹性材料，其强度和劲度模量会随温度升高而降低。沥青混合料结构在夏季高温下，其表面温度高达70以上，在荷载作用下，混合料容易发生流变破坏。对于防水沥青层，虽然使用阶段无荷载作用，对其力学要求不是很高，但在铺筑以及后期养护阶段，会受到施工机械的荷载作用,所以也应具有一定的强度。,2/2/2023,16,3.设计方案,3.3 防水封闭层具体设计方案：,路基基床表层铺设厚5cm的纤维沥青防水层。,路肩部分做成5%的向外的横坡，路肩两边电缆槽内涂刷2mm厚的聚氨酯防水涂料，电缆槽每隔1m设置泄水孔，将槽水引出经边
11、坡排水沟排出；两基座之间做成2%的向内排水坡，设置渗沟及横向排水管。,2023/2/2,17,3.设计方案,3.3 防水封闭层具体设计方案：,纤维沥青混合料技术特点：,(1)良好的应力吸收和分散能力具有网络缠绕结构的纤维沥青防水封闭层，由于纤维本身具有较好的抗拉伸强度和高弹性模量值，它可以有效地提高封闭层的抗拉、抗剪、抗压和抗冲击强度。(2)优异的防渗性能在北方寒冬季节里，纤维沥青防水封闭层因其弹性模量高和延伸力强的特点，抗拉强度远远大于温度变化带来的收缩拉应力或拉应变，降低了面层的低温脆裂性，能够有效抑制低温收缩裂缝的产生，从而避免了面层最大的“敌人”水的破坏。,2/2/2023,18,3.设计方案,3.3 防水封闭层具体设计方案：,纤维沥青混合料技术特点：,(3)较好的高温稳定性纤维在结构中起到加筋和桥接作用，从而对沥青结合料起到极强的吸附作用。它能非常容易地吸附沥青中的油分，增加其粘度，有效阻止沥青的流动，对沥青起到高温稳定、增韧阻裂的作用，从而减少了路基因水渗透造成的早期破坏。(4)施工快捷可以大大地缩短了建设时间和开放交通的时间。,2/2/2023,19,4.测试评价,
