框架優(yōu)化型Ⅲc軌枕道床橫向阻力試驗(yàn)研究

井國(guó)慶,　付　豪,　賈文利,　姚　力,　林紅松

(1. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044; 2. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川 成都 610031)

道床橫向阻力作為有砟道床力學(xué)特性重要參數(shù)和控制指標(biāo),對(duì)軌道幾何形位及無(wú)縫線路穩(wěn)定性有著重要的影響,足夠的阻力是保證列車行駛的安全性和舒適性,防止有砟軌道無(wú)縫線路跑道脹道的必要條件[1-2].道床橫向阻力提升可從道床和軌枕兩個(gè)方面著手：道床層面包括道砟顆粒形狀、級(jí)配、材質(zhì)、道床斷面尺寸、密實(shí)度、臟污層度等[3-8]；軌枕層面包括軌枕形狀、尺寸、重量、材質(zhì)等[1,9-11].除此之外,道床橫向阻力受運(yùn)營(yíng)維修如清篩、搗固影響較大,也是研究?jī)?nèi)容之一,如道床搗固后橫向阻力值減小可達(dá)50%[12-13].需要指出的是,近年來(lái)從道床層面提高道床阻力已經(jīng)遇到瓶頸,很難再有較大空間.與此同時(shí),隨著重載和超高速有砟道床發(fā)展以及應(yīng)用環(huán)境和技術(shù)條件的復(fù)雜性和多樣性,對(duì)道床橫向阻力提出了更高要求[1].包括重載鐵路某些特殊地段,尤其是在小曲線半徑處、溫差過(guò)大地段、曲線超高地段等;如設(shè)計(jì)時(shí)速400 km/h俄羅斯莫喀高鐵、英國(guó)HS2高鐵和抗震要求的伊朗德伊高鐵等,以上這些對(duì)道床阻力、無(wú)縫線路穩(wěn)定性、飛砟防治產(chǎn)生巨大挑戰(zhàn).需要再次強(qiáng)調(diào)的是,軌枕設(shè)計(jì)是提高有砟道床縱橫向阻力、降低道床垂向動(dòng)力、延緩道床劣化及降低飛砟的有效手段[1,5].在此背景條件下,新型軌枕研發(fā)和運(yùn)用應(yīng)運(yùn)而生,對(duì)普通條型軌枕的尺寸、長(zhǎng)度、外形、材料、配筋及重量等方面進(jìn)行優(yōu)化,包括摩擦型軌枕、加釘軌枕、纖維軌枕、異型軌枕、重載新型軌枕等[14-22].與此同時(shí),傳統(tǒng)普通條枕通過(guò)砟肩堆高方式增加道床橫向阻力增加了飛砟發(fā)生幾率,難以滿足超高速鐵路無(wú)縫線路穩(wěn)定性和飛砟安全性要求.因此框架軌枕成為上述問(wèn)題有效解決方案之一.目前道床橫向阻力研究多考慮普速鐵路和常規(guī)工作狀態(tài),研究主要集中于普通條枕、維修穩(wěn)定前后、臟污狀態(tài)、斷面形式等的影響規(guī)律和宏觀力學(xué)特性,缺乏針對(duì)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕的優(yōu)化及優(yōu)化后新型軌枕的道床阻力測(cè)試分析.

為提高軌枕底部阻力、枕心阻力和砟肩阻力,本文基于普通條枕道床橫向阻力分擔(dān)與組成相關(guān)研究,在標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型混凝土軌枕上設(shè)計(jì)制作3種新型軌枕,形成了具有骨架式構(gòu)造的條形軌枕,后文稱為框架式軌枕.所設(shè)計(jì)制造框架軌枕不影響有砟道床養(yǎng)護(hù)維修作業(yè).同時(shí)通過(guò)道床橫向阻力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),測(cè)試、比較、分析各框架軌枕與標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型混凝土軌枕的橫向阻力特性.本次實(shí)驗(yàn)中道床狀態(tài)與實(shí)際運(yùn)營(yíng)線路具有區(qū)別,本文橫向阻力測(cè)試所用道床為新鋪道床,鋪設(shè)過(guò)程中分層采用小型壓實(shí)機(jī)密實(shí),鋪設(shè)完成后未經(jīng)過(guò)列車碾壓密實(shí).

1　材料及方法

1.1　框架軌枕

國(guó)內(nèi)外研究表明條形軌枕道床橫向阻力F主要由軌枕底部阻力F1、軌枕兩側(cè)阻力F2、砟肩阻力F3組成[23],即F=F1+F3+F2，如圖1所示.

圖1　條形軌枕阻力組成Fig.1　Constitution of lateral resistance

條形軌枕道床橫向阻力分擔(dān)比例根據(jù)線路運(yùn)營(yíng)條件不同,一般來(lái)說(shuō),軌枕底部提供橫向阻力約30%～40%,砟肩部位所提供的阻力約30%～50%,輕軌兩側(cè)所提供的阻力約15%～20%[3,24].考慮到橫向阻力是由道砟顆粒與軌枕表面摩擦、顆粒錯(cuò)動(dòng)滑移和道砟顆粒重新排列而產(chǎn)生,枕底、枕端、枕心均是提供道床橫向阻力的重要部位,優(yōu)化軌枕各部位外形可增大各部位軌枕與道砟顆粒間咬合作用和范圍.因此基于我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型混凝土軌枕,同時(shí)考慮有砟道床傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)工序,本文設(shè)計(jì)了3種框架軌枕:A為在我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型混凝土軌枕承軌臺(tái)設(shè)計(jì)翼緣進(jìn)行兩端加寬(H型混凝土軌枕);B為在我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型混凝土軌枕中部進(jìn)行加寬(十字型混凝土軌枕);C為在我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型混凝土軌枕承軌臺(tái)底部進(jìn)行加厚(π型混凝土軌枕).3種基礎(chǔ)新型混凝土軌枕與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型混凝土軌枕如圖2所示.

圖2　各型軌枕示意Fig.2　Diagrams of frame sleepers

按設(shè)計(jì)尺寸特制混凝土塊,在我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕特定部位上，如承軌臺(tái)底部、邊緣及軌枕中部采用高強(qiáng)AB膠,粘結(jié)特制混凝土塊,制作各型框架混凝土軌枕,如圖3所示,圖中從左至右依次為A、B、C框架軌枕所粘結(jié)小塊尺寸.混凝土塊設(shè)計(jì)尺寸基于標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕尺寸、軌枕間距(0.6 m)及我國(guó)高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的特級(jí)道砟粒徑.

(a) 俯視圖

(b) 正視圖圖3　混凝土塊尺寸圖(單位:cm)Fig.3　Diagrams of concrete block(unit: cm)

本文所用特制混凝土小塊采用C60高強(qiáng)混凝土,所用膠體為專用高強(qiáng)AB膠,抗拉強(qiáng)度40 MPa.本文旨在測(cè)試各型框架軌枕及Ⅲc型混凝土軌枕橫向阻力,各框架軌枕黏結(jié)面經(jīng)計(jì)算具有足夠抗剪強(qiáng)度,阻力實(shí)驗(yàn)后,道砟膠黏結(jié)面并未發(fā)生破壞,膠黏結(jié)面結(jié)實(shí)可靠.框架軌枕實(shí)物如圖4.

圖4　框架軌枕(從左至右依次為A、B、C型)Fig.4　Pictures of frame sleepers (A、B、C from left to right)

A、B框架式軌枕中混凝土塊高18.5 cm,保證與軌枕中部頂面平齊且略低于承軌臺(tái)平面;設(shè)置斜面保證與軌枕貼合;混凝土塊梯形截面上長(zhǎng)度13 cm 大于兩個(gè)道砟最大粒徑,下長(zhǎng)度10 cm大于兩個(gè)道砟平均粒徑,同時(shí)保證相鄰軌枕最窄處間距大于兩個(gè)道砟最大粒徑.A框架軌枕混凝土塊沿軌枕長(zhǎng)度方向取14 cm,取約為承軌臺(tái)平面長(zhǎng)度的1/2;B框架軌枕混凝土塊沿軌枕長(zhǎng)度方向取18 cm,約為軌枕中部平面長(zhǎng)度的2/3；C框架軌枕混凝土塊橫向?qū)挾热≤壵淼酌鎸挾?2 cm,縱向厚度8 cm略大于一個(gè)道砟的最大粒徑6.3 cm，且約為兩個(gè)道砟平均粒徑,沿軌枕長(zhǎng)度方向取14 cm,約為承軌臺(tái)平面長(zhǎng)度的1/2.

1.2　有砟道床

本文試驗(yàn)為道床橫向阻力測(cè)試實(shí)驗(yàn),測(cè)試地點(diǎn)位于北京交通大學(xué)濱海學(xué)院室外試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi),人工鋪設(shè)12 m有砟軌道.試驗(yàn)采用我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型混凝土枕及各型框架軌枕,軌枕間距600 mm,邊坡坡度1∶1.75,道床厚度350 mm,相鄰軌枕間道砟與軌枕中部頂面平齊,砟肩寬度、堆高依工況而異;試驗(yàn)道砟為水洗玄武巖碎石,道砟粒徑級(jí)配等各項(xiàng)指標(biāo)均符合特級(jí)道砟的要求[25].

鋪設(shè)時(shí)采用分層夯實(shí)保證道床密實(shí)度,采用110型電動(dòng)平板夯實(shí)機(jī)對(duì)350 mm厚道床分4層4次夯實(shí)鋪設(shè),軌枕放置后,枕心及砟肩部位采用3層 3次夯實(shí).為保證試驗(yàn)對(duì)比準(zhǔn)確,所有工況嚴(yán)格采用同樣鋪設(shè)夯實(shí)方法,保證道床密實(shí)度相同.現(xiàn)場(chǎng)阻力測(cè)試如圖5所示.

(a) 加載裝置(b) 位移計(jì)圖5 現(xiàn)場(chǎng)阻力測(cè)試Fig.5 Lateral resistance in-situ test

每組測(cè)試結(jié)束后,等待軌枕回彈,換填道砟,采用電動(dòng)平板夯實(shí)機(jī)重新對(duì)道床進(jìn)行夯實(shí),最大限度保證每次試驗(yàn)道床情況相同,每組工況測(cè)試3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),將3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值,試驗(yàn)結(jié)果中軌枕位移2 mm時(shí)阻力值為該軌枕的道床橫向阻力.

1.3　試驗(yàn)工況

為研究各框架軌枕與標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕橫向阻力受砟肩寬度、堆高影響,對(duì)比分析各框架軌枕與標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕在相同道床斷面下橫向阻力情況.取軌枕類型、砟肩寬度、砟肩堆高為測(cè)試變量,其余實(shí)驗(yàn)道床參數(shù)均取定值,軌枕間距為600 mm,邊坡坡度為 1∶1.75,道床厚度為350 mm,相鄰軌枕間道砟與軌枕中部頂面平齊.共設(shè)置12種工況,如表1.

表1試驗(yàn)工況
Tab.1Test condition mm

工況軌枕類型砟肩寬度砟肩堆高1標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型50002標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型5001503標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型30004A框架軌枕50005A框架軌枕5001506A框架軌枕30007B框架軌枕50008B框架軌枕5001509B框架軌枕300010C框架軌枕500011C框架軌枕50015012C框架軌枕3000

2　結(jié)果與分析

2.1　A型框架軌枕

標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕與A框架軌枕在工況1～6下橫向阻力-軌枕位移曲線如圖6.由圖6可知，各工況下阻力位移曲線無(wú)明顯峰值也無(wú)峰值軟化現(xiàn)象,阻力隨位移增大而逐漸增大,曲線趨勢(shì)表明新鋪道床并未達(dá)到致密狀態(tài)[26].A型框架軌枕相較于標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕,在砟肩寬度500 mm,堆高為0下,阻力提升約3.1 kN(43.7%),與鐵科院現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果具有高度吻合[16];在砟肩寬度500 mm，堆高 150 mm 下,阻力提升約3.7 kN(37.8%);在砟肩寬度 300 mm,堆高為0下,阻力提升約3.1 kN(50.8%).

對(duì)比工況1、2,砟肩堆高由0增至150 mm,標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕道床橫向阻力值由約7.1 kN增至9.8 kN;對(duì)比工況1、3,砟肩寬度由300 mm增至500 mm 時(shí),標(biāo)準(zhǔn) Ⅲc型軌枕道床橫向阻力由約 6.1 kN 增至7.1 kN；對(duì)比工況4、5,砟肩堆高由0增至150 mm時(shí),A框架軌枕阻力由約10.2 kN增至13.5 kN，提升約3.3 kN,相同砟肩堆高變化情況下標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕阻力提升 2.7 kN,A框架軌枕橫向阻力受砟肩堆高變化影響更大；對(duì)比工況4、6,砟肩寬度由300 mm增至500 mm時(shí),A框架軌枕阻力由約 9.2 kN 增至10.2 kN,增加約1.0 kN,標(biāo)準(zhǔn) Ⅲc型軌枕在同樣砟肩變化下阻力提升值也約為 1.0 kN,A框架和標(biāo)準(zhǔn) Ⅲc型軌枕阻力提升值基本相同.

圖6　標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc、A型軌枕橫向阻力-位移Fig.6　Resistance-displacement of Ⅲc sleeper and A frame sleeper

從軌枕與道床相互作用分析,A型框架軌枕在軌枕承軌臺(tái)處增設(shè)翼緣,增加了軌枕端頭處軌枕移動(dòng)時(shí)道砟剪切鍥體徑向?qū)挾?理論上相較于標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc 型軌枕砟肩寬度及堆高的變化對(duì)于軌枕橫向阻力影響更大,然而本次試驗(yàn)結(jié)果中砟肩寬度變化對(duì)于A型軌枕及標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc軌枕阻力影響基本相同,其原因可能為A型軌枕所增翼緣加寬部位位于承軌臺(tái)底部,離軌枕端部較遠(yuǎn),影響道砟剪切鍥體范圍還未到達(dá)砟肩寬度300 mm外部位,但已到達(dá)道床砟肩堆高部位.同時(shí)由于軌枕兩端均設(shè)置有翼緣加寬,相鄰軌枕間道砟與軌枕相互作用除軌枕側(cè)面摩擦作用外還存在翼緣加寬處抗剪切滑動(dòng)阻力,該部分阻力對(duì)橫向阻力提升也有較大貢獻(xiàn).

2.2　B型框架軌枕

標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕與B型框架軌枕在工況1和7、工況2和8及工況3和9情況下橫向阻力-軌枕位移曲線如圖7.由圖7可知:各工況下阻力位移曲線無(wú)明顯峰值也無(wú)峰值軟化,阻力隨位移增大而逐漸增大;B型框架軌枕相較于標(biāo)準(zhǔn) Ⅲc型軌枕,在砟肩寬度500 mm和砟肩為0下,阻力提升約2.4 kN(33.8%);在砟肩寬度500 mm和砟肩堆高 150 mm下,阻力提升約2.5 kN(25.5%);在砟肩寬度300 mm和砟肩堆高為0下,阻力提升約2.5 kN(41.0%).

對(duì)比工況7、8,砟肩堆高由0增至150 mm時(shí),B框架軌枕阻力由約 9.5 kN 提升至12.3 kN,增大約2.8 kN,相較于標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕相同砟肩堆高變化時(shí)的阻力提升值 2.7 kN并無(wú)明顯差異；對(duì)比工況7、9,砟肩寬度由300 mm增至500 mm時(shí),B框架軌枕阻力由約 8.6 kN 增加至9.5 kN,增加約0.9 kN,相較于標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕相同砟肩寬度變化時(shí)阻力提升約 1.0 kN,并無(wú)明顯變化.由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可大致判斷,B型框架軌枕與標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕橫向阻力受道砟砟肩部位變化的影響基本相同.

圖7　標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc、B型軌枕橫向阻力-位移Fig.7　Resistance-displacement of Ⅲc sleeper and B frame sleeper

根據(jù)軌枕與道床相互作用分析,B型框架軌枕在軌枕中部增設(shè)加寬,加寬部位距軌枕端頭部位較遠(yuǎn),軌枕發(fā)生位移時(shí)翼緣加寬部位影響道砟顆粒集中于軌枕中部?jī)蓚?cè),軌枕端頭處道砟滑動(dòng)剪切鍥體體積并無(wú)明顯變化,因而相較于標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕,砟肩寬度及砟肩堆高的提升對(duì)軌枕橫向阻力的增加效果相差不大.但由于軌枕中部設(shè)置有翼緣加寬,相鄰軌枕間道砟與軌枕相互作用除摩擦作用外還存在軌枕中部翼緣加寬處抗剪切滑動(dòng)阻力,該部分阻力對(duì)橫向阻力提升有較大貢獻(xiàn).

2.3　C型框架軌枕

標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕與C型框架軌枕在工況1和10、工況2和11以及工況3和12情況下橫向阻力-軌枕位移曲線如圖8所示.由圖8可知:各工況下阻力位移曲線無(wú)明顯峰值也無(wú)峰值軟化現(xiàn)象;C型框架軌枕相較于標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕,在砟肩寬度500 mm 和砟肩為0下,阻力提升約1.2 kN(16.9%);在砟肩寬度 500 mm和砟肩堆高 150 mm 下,阻力提升約1.3 kN(13.3%);在砟肩寬度300 mm和砟肩堆高為0下,阻力提升約 1.4 kN(23.0%).

對(duì)比工況10、11,砟肩寬度500 mm,砟肩堆高由0增至150 mm時(shí),C框架軌枕阻力由約8.3 kN提升至11.1 kN,增大約2.8 kN,相較于標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕相同砟肩堆高變化時(shí)的阻力提升值2.7 kN并無(wú)明顯差異；對(duì)比工況10、12,砟肩堆高為0,砟肩寬度由300 mm增至500 mm時(shí),C框架軌枕阻力由約7.5 kN增至8.3 kN,增加約 0.8 kN,相較于標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕阻力提升約1.0 kN,略有減少,與日本模型試驗(yàn)吻合度較好[15].

圖8　標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc、C型軌枕橫向阻力-位移Fig.8　Resistance-displacement of Ⅲc sleeper and C frame sleeper

根據(jù)軌枕與道床相互作用分析,C型框架軌枕在軌枕承軌臺(tái)底部設(shè)置加厚臺(tái),軌枕底部軌枕道砟相互作用由簡(jiǎn)單的相互摩擦作用變?yōu)橄嗷ツΣ僚c軌枕底部道砟剪切作用相結(jié)合,剪切作用等同于在軌枕承軌臺(tái)底部加厚區(qū)域各形成了一個(gè)道砟剪切鍥體,對(duì)橫向阻力的提升有明顯作用,但加厚部位距離軌枕端頭較遠(yuǎn),加厚部位所影響范圍并未達(dá)到軌枕端部,因而相較于標(biāo)準(zhǔn) Ⅲc型軌枕,砟肩寬度和堆高改變對(duì)C型框架軌枕橫向阻力影響幾乎相同.

3　結(jié)　論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)、優(yōu)化我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕,采用高強(qiáng)膠黏結(jié)特制混凝土塊,制作3種框架軌枕,開(kāi)展道床橫向阻力試驗(yàn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕及各框架軌枕橫向阻力,試驗(yàn)表明各型框架軌枕相較于標(biāo)準(zhǔn)Ⅲc型軌枕道床橫向阻力均有較大提升作用.本文所優(yōu)化的框架軌枕對(duì)于軌枕選型、減少道床斷面尺寸和道砟用量、降低建設(shè)成本具有一定意義.