无砟轨道基床层间界面作为连接轨下基础结构的关键部件,对于确保高铁路基长期服役性能有着重要作用。为达到高速铁路无砟轨道对线路长期稳定性和沉降变形严格的控制要求,基床表层沥青混凝土新型结构既需满足轮轨系统的动力特性要求,也需保证轨下基础结构物在反复动力荷载和环境荷载作用下的长期稳定性和界面安全性。因此,本文依托京张高铁沥青混凝土试验段工程对板式无砟轨道基床表层沥青混凝土与底座板层间界面特性开展研究。论文通过开展不同条件下沥青混凝土-混凝土复合试件室内强度试验,总结了层间界面损伤特点及其影响因素,基于时温等效原则获取了层间界面参数,同时基于足尺推板试验结果,表明双线性内聚力模型可以较好的描述基床表层沥青混凝土与底座板层间界面力学行为。基于双线性内聚力模型,论文分析了温度荷载作用下基床沥青混凝土层与底座板层间界面特性演化过程,讨论了整体温度、温度梯度作用对界面黏结性能的影响;建立了考虑温度荷载和层间损伤耦合作用的轨下基础动力分析模型,并基于现场激振试验进行了基床沥青混凝土层动力水平验证,对层间黏结状态对无砟轨道动力特性的影响进行了分析,研究结果表明:1)整体温度作用下,层间剪切应力在底座板伸缩缝位置处最先达到层间允许剪切强度导致界面微裂纹萌生;随着温度的升高,微裂纹扩展致层间脱黏,层间界面转为接触摩擦状态;提高层间强度和断裂能参数可以有效减小脱黏区域的面积,过大的界面刚度会导致层间损伤更早萌生。2)温度梯度作用下,层间界面只在底座板伸缩缝位置处附近有微裂纹起始萌生,且萌生区域面积较小;正常使用范围内,温度荷载作用下基床沥青混凝土与底座板层间界面不会发生脱黏失效。3)层间损伤由温度荷载起主导作用,列车荷载单独作用下层间发生损伤扩展的可能性较小;当层间黏结状态发生改变而未发生完全脱黏时对轨下基础结构动力特性影响较小,当层间发生完全脱黏转为接触摩擦作用时对轨下基础结构动力特性影响较大。4)基于本文研究成果,建议基床表层沥青混凝土与底座板层间界面黏结性能要求为:25℃、加载速率为30mm/min时,层间抗拉强度不低于0.3MPa;25℃、加载速率为5mm/min时,层间抗剪强度不低于0.6MPa。

近年来,随着我国高速铁路的发展,特别是高速铁路网向季冻区以及严寒区的延伸,冻胀和融沉等病害引起的路基稳定性问题日渐突出,严重影响轨道结构的平顺性与耐久性。现有无砟轨道结构防水性能差、地表水下渗是引起路基冻胀和融沉的主要原因。沥青混凝土基床表层的应用能够显著提升无砟轨道结构的防水性能,降低路基动应力水平,对提高无砟轨道稳定性、降低养护费用、延长使用寿命具有积极的作用。目前,无砟轨道沥青混凝土基床表层的研究及应用主要基于沥青路面研究成果及应用经验,对沥青混凝土基床表层在无砟轨道结构中的服役环境的认识不够明确,特别是对无砟轨道服役环境下沥青混凝土基床表层的损伤行为的研究不够深入。因此,本文从沥青混凝土基床表层在无砟轨道结构中服役环境出发,针对沥青混凝土基床表层的局部损伤行为展开研究。本文首先建立了含沥青混凝土基床表层无砟轨道动力分析模型和热分析模型,并利用郑徐客专沥青混凝土基床表层试验段动态试验数据和温度监测数据对模型进行了验证;然后基于动力分析模型和热分析模型研究了沥青混凝土基床表层服役应力环境和温度环境,分析了服役期内沥青混凝土基床表层局部损伤模式;随后,通过开展不同温度、应力水平下的静态、动态蠕变试验,利用时间-温度-应力等效原理得到了两种沥青混凝土的蠕变柔量主曲线和位移因子,推导了考虑附加位移荷载的应力增量法,计算降温条件下沥青混凝土基床表层的温度应力,并利用改进TSRST试验对解析解进行了验证;最后,利用时间-温度-应力等效原理和应力增量法对服役期内沥青混凝土基床表层长期蠕变行为和低温开裂行为进行了预测。研究结果表明,列车荷载作用下荷载沥青混凝土基床表层主要受顶面竖向压应力和底面纵向拉应力控制,CRH380型列车以350km/h的运行速度通过时,顶面竖向压应力和底面纵向拉应力最大值分别为22.5KPa和34KPa。底座板正下方沥青混凝土基床表层温度变化变化幅度较路肩小,且变化周期滞后,边缘和中心位置分别滞后约5小时和30小时。服役期间底座板正下方区域内沥青混凝土基床表层受到上部结构自重荷载和列车动荷载的共同作用,应力水平低,作用时间长。长期蠕变行为导致的永久变形,以及降温条件下底座板伸缩缝处开裂是沥青混凝土基床表层的主要损伤模式。基于粘弹性材料时间-温度-应力等效效应,通过短期蠕变试验可得到蠕变柔量主曲线和温度-应力移位因子,利用蠕变主曲线和温度-应力移位因子可以对寿命周期内沥青混凝土在不同温度条件、应力水平下的蠕变行为在时间尺度上进行等效换算,从而实现对沥青混凝土基床表层长期蠕变行为的预测。降温条件下上部结构收缩在底座板伸缩缝处产生的附加位移荷载是导致沥青混凝土基床表层开裂的主要原因。附加位移荷载的作用使沥青混凝土温度应力显著增大,改进后的TSRST试验能够实现降温条件下附加位移荷载的自动加载,评价附加位移荷载对温度应力的影响。基于Burgers模型的应力增量法能够准确计算附加位移荷载影响下沥青混凝土的温度应力,计算结果与TSRST试验结果具有较高的吻合度。结合热-结构耦合分析模型和应力增量法,可以实现对不同降温环境下沥青混凝土基床表层的低温开裂行为的预测。

环境温度和老化作用下公路和铁路沥青混凝土结构内部呈现出显著的连续梯度粘弹性特性。传统分析中一般忽略这种梯度特性的影响,建立整体均匀化模型,或仅考虑有限的不均匀性,通过将结构细分为多个亚层,并分别指定每层的材料特征参数予以近似。但在赋予单元材料属性时,仍是将单元看作是均质的,单元各结点的材料属性不变,这显然无法真实体现结构内部材料特性的连续梯度变化,计算不够精确。基于此,本文以公路和铁路典型沥青混凝土结构为研究对象,综合运用功能梯度材料理论、弹性和粘弹性力学及梯度有限元理论,结合沥青混凝土材料动态性能测试手段,量化表征结构内部的温度和老化梯度粘弹性,开发基于单元结点层面考虑材料连续梯度属性的有限元分析程序,在此基础上研究典型结构的梯度力学行为。论文主要研究内容和成果如下:（1）基于传热学原理建立了沥青混凝土结构温度场分析模型,研究了典型结构梯度温度场分布规律,进一步结合沥青混凝土动态特性试验,建立了温度梯度粘弹性的量化表征方法。结果表明,最显著温度梯度时刻,沥青混凝土结构内部温度沿深度分布符合三次抛物曲线形式;采用预先配置法和松弛时间移位的方法能够有效表征温度影响下沥青混凝土松弛模量和松弛时间谱的空间分布特性;沥青混凝土的广义Maxwell模型参数随温度的改变,本质是不同温度下的松弛谱沿松弛时间轴偏移的结果,温度高时,沥青粘度较低,松弛谱向松弛时间减小的方向偏移,沥青混凝土松弛模量减小,反之亦然。（2）设计提出“复合试件法”获取梯度老化试件,利用宏观动态特性预测理论和沥青结合料流变特性试验,得到试件内部动态特性梯度分布规律,进一步构建水平老化移位因子,实现了老化梯度粘弹性的连续表征。结果表明,老化作用引起试件内部材料属性沿深度呈现连续梯度变化,梯度老化对沥青混凝土动态模量的影响显著,特别是在低温高频段,而对相位角和温度移位因子的影响不大;基于特定梯度老化工况构建的水平老化移位因子函数随深度的变化总体符合指数函数形式;不同深度上沥青混合料的老化程度可通过其相对于参考老化状态下的水平老化移位因子进行量化,移位因子为正时,松弛谱向松弛时间增大的方向偏移,沥青混凝土松弛模量增加;老化引起的梯度效应较温度场引起的梯度效应小。（3）基于弹性和粘弹性力学方法及广义等参梯度有限元理论,设计编写了弹性梯度和粘弹性梯度有限元分析程序,研究了多种梯度边值问题及跨中集中荷载作用下梯度简支长梁的变形特性。结果表明,弹性梯度有限元程序适用于材料弹性属性多种梯度变化形式的边值问题,计算结果与解析解具有很好的一致性;其在求解简支长梁跨中挠度时,相对于均匀和分层近似模型,具有更高的计算精度和效率;粘弹性梯度有限元程序能够准确有效地分析简支长梁蠕变特性,而均匀和分层近似模型计算精度较差,计算误差会随分层数的增加而降低,但会随荷载持续时间逐渐增大,具有“累积效应”。（4）开展了温度和老化梯度对典型沥青混凝土结构力学行为影响机制的研究,揭示了不同程度地考虑梯度特性时,结构关键力学指标对外荷载的响应差异。结果表明,温度梯度对半刚性基层沥青路面面层内横向应力的影响最为显著,对剪应力的影响次之,对竖向应力的影响最弱;均匀模型中拉应力的计算结果小于梯度模型,可能会导致结构设计偏不安全;分层近似模型介于两者之间,并在亚层界面处呈现横向应力的“阶梯效应”;温度梯度对全厚式沥青混凝土道床结构设计控制指标的时程和幅值影响较小,但忽略温度梯度时,各设计指标计算结果不够准确,尤其是基床顶面竖向压应变和沥青层底拉应变;同时考虑结构内部温度和老化梯度时,路表弯沉幅值及相对误差并无明显的变化规律,其内在机理是温度和老化梯度的叠加效应并不一定使结构整体的抗变形能力提高或降低;在正温度梯度工况下,两者叠加削弱了整个结构内部的梯度效应,使沥青面层更趋向于均匀;而在负温度梯度工况下,叠加后结构内部的梯度效应被放大。

密级配沥青混凝土作为基床防水封闭层具有防水、减振、适应变形、施工方便等特点,目前在国内高速铁路轨道结构中已有少量的试验段应用。目前关于沥青混凝土基床表层的研究主要关注其在荷载作用下的力学响应和防排水效果,而沥青混凝土在低温环境下呈现脆性特征,易出现开裂现象,故有必要对全断面沥青混凝土层在低温环境下的温度场分布和温度应力场分布进行研究,为含断面沥青混凝土层的板式无砟轨道结构的设计优化提供支持。首先,基于温度场理论,确定轨道结构温度场的边界条件,并结合京张高铁的轨道结构特征,利用ABAQUS有限元软件,建立含全断面沥青混凝土层的板式无砟轨道结构的温度场数值分析模型,利用郑-徐客运专线中试验段对沥青混凝土层内温度的监测数据,验证所建温度场模型的可靠性。其次,结合京张高铁所在地区的历史气象资料,利用轨道结构温度场模型分析结构在低温天气下的温度场分布规律,考虑不同太阳辐射、不同风速、不同季节天气对轨道温度场的影响。最后,基于热-结构耦合法,建立含全断面沥青混凝土层的板式无砟轨道结构的温度应力场数值分析模型,分析底座板下部分沥青混凝土在最不利负温度梯度下的应变分布规律,考虑沥青混凝土层不同厚度、不同线收缩系数以及在底座板与沥青混凝土层间设置不同长度“滑动区”对其应变分布的影响,对此轨道结构的设计优化提出建议;利用正交法对不同因素下底座板下沥青混凝土层的表面应变值进行了回归拟合,提出了应变的简化计算模型。研究表明:利用有限元软件进行结构温度场的模拟具有良好的可靠性;低温环境下,路肩与线间部分沥青混凝土层温度变化与气温变化规律相同,而底座板下部分温度变化不大,且单日内环境变化对结构温度影响主要在0.4m深度范围内;太阳辐射和风速主要对路肩与线间部分沥青混凝土层的温度有较大影响,而对底座板下部分影响甚微,不同季节下单日环境变化对结构温度变化深度影响不大。最不利负温度梯度下,上部轨道结构会发生翘曲变形,底座板下部分沥青混凝土层在底座板伸缩缝处存在“应变集中”现象,为该结构的薄弱环节;沥青混凝土层的厚度和线收缩系数的改变对集中应变的衰减作用不大,在底座板伸缩缝处设置“光滑区”可以明显减小集中应变的幅值;本文建议在底座板伸缩缝处两侧设置1-2m的土工合成材料或应力吸收层。

高速铁路路基防水封闭结构作为防止天然降水侵入路基的外部屏障,是保证路基长期服役性能的关键措施之一。全断面铺设的基床沥青混凝土层作为一种新型防水封闭结构,对于季冻区和寒区路基冻胀、融沉等病害的控制具有显著效果,近年来在高速铁路领域受到高度重视。目前,对于基床沥青混凝土层的材料组成设计已有较为深入的研究,而对于其结构设计尚无系统完善的计算理论与设计流程。基于此,本文针对我国具有自主知识产权的CRTSIII型无砟轨道结构,选用合理的分数阶导数本构模型表征基床沥青混凝土层在全温度域内的动态粘弹特性,系统地研究了基床沥青混凝土层在列车荷载与环境温度作用下的工作状态,在此基础上明确了基床沥青混凝土层的破坏模式和结构设计验算方法,可为基床沥青混凝土层材料优化与结构设计提供依据。本文开展的主要工作和相应的研究成果如下:（1）基于分数阶微积分定义介绍了分数阶导数基本元件的力学性质,对比了传统整数阶本构模型与分数阶本构模型的差异。基于Grünwald-Letnikov分数阶导数定义推导了弹壶元件的应力数值算法,发现弹壶元件某个增量步的应力不仅与前一增量步的应变有关,还与所有的历史应变和增量步时间步长有关。在有限元软件中针对分数阶导数本构模型编制了相应的用户自定义材料子程序,并与解析解和试验结果进行了对比验证,结果表明所推导的数值计算方法是准确可靠的。（2）根据有限元仿真结果和现场实测数据利用快速Fourier变换得到无砟轨道基床表层的动应力频响曲线,发现基床表层在列车作用下的动态响应频率范围主要在0～20 Hz之间,公路规范中的动态模量试验方法可用于测试基床沥青混凝土的动态粘弹特性。依托京张高铁试验段工程利用动态模量试验研究了现场取芯样品在全温度域内的动态特性,基于最优化方法求解了频域内的复数模量粘弹性参数识别问题。各类粘弹性函数拟合结果和统计参数分析表明,分数阶导数模型的拟合结果整体优于广义Maxwell模型且所需参数更少,可以准确地反映在试验数据范围内外的粘弹性信息,更适用于描述基床沥青混凝土在全温度域内的动态粘弹特性。（3）基于优选的分数阶本构模型建立了车辆—轨道—路基耦合数值分析模型,对列车荷载作用下含基床沥青混凝土层的无砟轨道结构动力特性进行了计算和验证。动力响应时空分布特征表明,底座板结构缝处是基床沥青混凝土层动力响应的纵向最不利荷位,动力响应横向影响范围主要为底座板宽度,纵向影响范围约为10 m。在沥青混凝土层纵向应变频响曲线中,第2个峰值频率对纵向应变响应起主要控制作用,该峰值频率与列车速度近似成正比,比例系数与车辆定距有关,该峰值频率对应的动态模量可作为等效模量用于弹性模型近似计算。与传统防水结构相比,当轨道结构引入基床沥青混凝土层后,其粘弹特性带来的能量耗散效应有利于降低轨道和路基结构的整体振动水平和竖向变形,具备较强的推广应用价值。（4）基于传热学原理建立了无砟轨道结构温度效应分析模型,分析了温度场和温度效应的时空分布规律并提出了相应的预估公式。路肩与线间处基床沥青混凝土层的表面温度可用太阳辐射和气温的实时变化线性表示,底座板下方处基床沥青混凝土层的月平均温度可用月平均气温线性表示。上部轨道结构内部的负温度梯度是引起基床沥青混凝土层表面出现被动拉伸现象的主要原因,在结构缝处铺设复合土工布可以有效缓解这一现象,长度宜在结构缝两侧各设置1～2 m。（5）在基床沥青混凝土层动力响应与温度效应数值分析的基础上,将基床沥青混凝土层在服役期间可能出现的破坏模式总结为三类:低温开裂、列车荷载作用下的疲劳开裂和底座板结构缝处的被动拉伸破坏。基于半解析有限元理论建立了荷载作用下的路基面简化计算模型,在考虑交通参数、温度条件和材料参数的基础上,形成了结构设计验算流程,并开发了结构设计验算的图形化用户界面程序,可为实际工程提供设计指导。