鋼棒加強(qiáng)式軌枕道床的縱橫向阻力試驗(yàn)研究

井國(guó)慶 ，王新雨 ，周 強(qiáng) ，姚 力

（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）

道床阻力對(duì)保持軌道幾何形位及確保無(wú)縫線(xiàn)路穩(wěn)定十分重要，是有砟道床力學(xué)特性重要參數(shù)指標(biāo)[1]. 橫向阻力可以保證列車(chē)行駛過(guò)程中的安全性和舒適性，防止無(wú)縫線(xiàn)路發(fā)生脹軌跑道[2]；縱向阻力則幫助道床防止軌道框架發(fā)生縱向位移，抵抗鋼軌伸縮、防止線(xiàn)路爬行[3]. 道床縱橫向阻力受道砟材質(zhì)、顆粒級(jí)配和道床斷面等影響[4].

隨著重載和高速有砟道床發(fā)展以及應(yīng)用環(huán)境和技術(shù)條件復(fù)雜化，針對(duì)道床縱橫向阻力出現(xiàn)了更高要求，尤其是在某些特殊地段，如溫差過(guò)大、長(zhǎng)大坡道、地震多發(fā)等區(qū)段，這種情況在川藏鐵路上尤為突出[5].

軌道所受縱向力主要有兩個(gè)來(lái)源：首先是列車(chē)行駛過(guò)程中，車(chē)輪施加給鋼軌的摩擦力，包括行駛過(guò)程中的力及牽引力和制動(dòng)力；其次是坡道在軌道上的分力[5]. 而川藏鐵路沿線(xiàn)地質(zhì)條件極為復(fù)雜，地勢(shì)高低起伏較大，存在很多長(zhǎng)大坡道地段[6]. 此時(shí)，第二種縱向力會(huì)出現(xiàn)較大增長(zhǎng)，導(dǎo)致長(zhǎng)軌條在變坡點(diǎn)、曲線(xiàn)起訖點(diǎn)與制動(dòng)地段等出現(xiàn)縱向壓力峰，導(dǎo)致長(zhǎng)軌條縱向爬行[5]. 同時(shí)，川藏鐵路不同區(qū)域氣溫變化十分明顯，跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路軌道結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)循環(huán)往復(fù)的變化[7]. 而在重復(fù)荷載下扣件阻力會(huì)出現(xiàn)衰減，甚至造成軌下膠墊竄出，從而影響無(wú)縫線(xiàn)路的穩(wěn)定性[8].

目前主要有兩類(lèi)解決方案提高道床阻力：第一類(lèi)為道床層增強(qiáng)措施，如使用瀝青道床或膠黏道床.黃長(zhǎng)綏等[9]通過(guò)瀝青道床現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在同一路段上測(cè)得普通碎石道床混凝土軌枕橫向阻力為6.5 kN，縱向阻力為7.1 kN，而瀝青道床混凝土軌枕縱橫向阻力均達(dá)到50.0 kN 以上. 井國(guó)慶等[10]通過(guò)在軌枕端部和軌枕中部噴涂聚氨酯，設(shè)計(jì)不同固化方案，并進(jìn)行橫向阻力試驗(yàn)，結(jié)果顯示最低可提升道床橫向阻力31.0%. 但上述方法容易破壞道床散體性，對(duì)搗固維修造成極大影響.

第二類(lèi)為軌枕層面增強(qiáng)措施，如使用梯形軌枕、摩擦型軌枕或釘子式軌枕、國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)在條形混凝土軌枕兩側(cè)增設(shè)混凝土塊制成異型軌枕，并測(cè)量其橫向阻力，結(jié)果表明，與相同工況下條形軌枕相比，異型軌枕的道床橫向阻力比條形軌枕高約21.0%[11]. 伊朗研究表明[12]，使用在底部增加波浪形摩擦條紋的混凝土軌枕可增強(qiáng)道床橫向阻力約64.0%. 國(guó)內(nèi)針對(duì)梯形軌枕進(jìn)行試驗(yàn)[13]，均為平肩式時(shí)，梯形軌枕比Ⅲ型混凝土軌枕橫向阻力高約55.0%，但質(zhì)量過(guò)大，運(yùn)輸不便，搗固維修困難. Esmaeili 等[14]提出采用長(zhǎng)釘插入式軌枕，用長(zhǎng)鋼釘將軌枕釘入有砟道床及路基，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得鋼釘插入式軌枕橫向阻力最多可提高至200.0%，但并未對(duì)道床縱向阻力測(cè)試，同時(shí)其長(zhǎng)釘插入路基僅適用干旱地區(qū).

本文為服務(wù)川藏鐵路大坡道、溫差大、地震帶特殊線(xiàn)路條件，基于中國(guó)鐵路標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化鋼棒加強(qiáng)式軌枕，并針對(duì)鋼棒加強(qiáng)式軌枕進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究道床縱橫向阻力特性，比較分析鋼棒加強(qiáng)式軌枕與普通軌枕道床阻力演變規(guī)律，研究其道床阻力分擔(dān)與機(jī)理，為今后在川藏鐵路以及其他特殊工況應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 材料及方法

1.1 道床阻力試驗(yàn)

本試驗(yàn)取位移為2 mm 時(shí)阻力值為道床阻力，每種工況進(jìn)行3 次試驗(yàn)，3 個(gè)結(jié)果取平均值作為最終阻力值. 每種工況試驗(yàn)過(guò)程中采用液壓千斤頂分級(jí)加載，并通過(guò)輪輻式壓力傳感器將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集儀，在另一側(cè)用精度為0.001 mm 的位移計(jì)采集位移信息. 每次試驗(yàn)完成后對(duì)道床整形、搗固以及夯實(shí)，再繼續(xù)試驗(yàn).

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用有砟軌道全長(zhǎng)16 m，枕下厚度為350 mm，底砟厚度為250 mm，邊坡坡度為1∶1.75，砟肩形狀根據(jù)工況設(shè)置. 采用III 型混凝土枕和鋼棒加強(qiáng)式混凝土枕，軌枕間距600 mm. 道床所用道砟級(jí)配符合我國(guó)TB 2140—2008 新建一級(jí)道砟標(biāo)準(zhǔn)，材料為花崗巖. 在鋪設(shè)過(guò)程中采用電動(dòng)平板夯實(shí)機(jī)將道床分層夯實(shí)以確保其密實(shí)，且所有工況都采用相同夯實(shí)方法從而使各種工況下道床密實(shí)度相近，此為確保試驗(yàn)準(zhǔn)確的關(guān)鍵操作.

試驗(yàn)所用鋼棒加強(qiáng)式混凝土軌枕基于我國(guó)Ⅲ型混凝土軌枕制造，大體上是在Ⅲ型軌枕的中部對(duì)稱(chēng)位置設(shè)置兩個(gè)一定尺寸的孔洞. 具體方法為，當(dāng)Ⅲ型混凝土軌枕完成振搗后，在軌枕中部特定位置放入模具，然后進(jìn)行養(yǎng)護(hù). 混凝土軌枕中部孔洞直徑為40 mm，一側(cè)孔洞圓心距離軌枕中心線(xiàn)400 mm，兩孔洞圓心距離為800 mm. 試驗(yàn)所用的鋼棒直徑35 mm，表面有網(wǎng)狀螺紋，通過(guò)硬質(zhì)填充物固定于軌枕特定位置. 鋼棒加強(qiáng)式軌枕及鋼棒如圖1 所示.

圖1 鋼棒加強(qiáng)式軌枕Fig. 1 Steel rod reinforced sleeper

1.3 試驗(yàn)工況

本文研究鋼棒加強(qiáng)式軌枕縱橫向阻力以及插入深度對(duì)軌枕道床阻力影響，并與同等道床斷面條件下普通軌枕作對(duì)比. 研究目的是采用鋼棒插入增強(qiáng)道床阻力，進(jìn)而采用平肩及寬度縮短砟肩，因此插入深度、肩寬為測(cè)試變量，與普通軌枕在肩寬500 mm、堆高150 mm 斷面下進(jìn)行對(duì)比分析. 測(cè)試變量設(shè)置如圖2 所示，工況設(shè)置如表1 所示，共計(jì)12 種工況.

圖2 測(cè)試變量示意Fig. 2 Test variables

表1 試驗(yàn)工況Tab. 1 Test conditionsmm

2 結(jié)果與分析

2.1 縱橫向阻力總體特性

選取工況：鋼棒加強(qiáng)式軌枕鋼棒插入深度為400 mm、肩寬為500 mm、堆高為0；普通條形混凝土軌枕肩寬為500 mm、砟肩堆高為150 mm. 道床阻力隨軌枕位移變化的曲線(xiàn)如圖3 所示. 由圖3（a）中可知：兩種軌枕道床橫向阻力均隨軌枕位移的增大而增大；軌枕位移達(dá)到1.5 mm 前，橫向阻力增長(zhǎng)速度較快；位移達(dá)到1.5 mm 后，橫向阻力仍然增大但增大速度變慢；位移達(dá)4.0 mm 后，橫向阻力趨于平緩；當(dāng)軌枕位移為2.0 mm 時(shí)，前者橫向阻力比后者高約53.7%.

圖3 道床阻力-位移曲線(xiàn)Fig. 3 Resistance-displacement curves

道床縱向阻力隨軌枕位移變化如圖3（b）所示.由圖中可知：道床縱向阻力隨軌枕位移的增大而增大；與橫向阻力增長(zhǎng)類(lèi)似，軌枕位移達(dá)到2.0 mm前，縱向阻力增長(zhǎng)速度較快；位移達(dá)到2.0 mm后，縱向阻力仍然增大但增大速度變慢；位移達(dá)到4.0 mm后，縱向阻力趨于平緩；當(dāng)軌枕位移為2.0 mm 時(shí)，前者縱向阻力比后者高約39.2%.

2.2 縱橫向阻力分擔(dān)

對(duì)條形軌枕來(lái)說(shuō)，道床阻力主要由3 部分組成.本文分別通過(guò)3 組道床阻力試驗(yàn)取均值研究鋼棒加強(qiáng)式軌枕阻力分擔(dān)，并與相同工況下普通軌枕作對(duì)比，見(jiàn)表2.

表2 道床阻力分擔(dān)Tab. 2 Resistance contribution

2.3 插入深度

相比普通條形混凝土軌枕，設(shè)置鋼棒加強(qiáng)式軌枕肩寬500 mm，堆高0. 鋼棒插入深度對(duì)橫向阻力影響如圖4（a）所示. 由圖可知：插入深度對(duì)橫向阻力影響明顯；取軌枕位移為2.0 mm，當(dāng)鋼棒插入道床100 mm 時(shí)，橫向阻力增加約0.83 kN，約6.1%；插入200 mm 時(shí)增加約2.37 kN，約19.1%；插入400 mm時(shí)增加約6.65 kN，約53.7%.

圖4 鋼棒插入深度對(duì)阻力影響Fig. 4 Influence of insertion depth on resistance

鋼棒插入深度對(duì)縱向阻力影響如圖4（b）所示.由圖可知：取軌枕位移為2.0 mm，當(dāng)鋼棒插入道床100 mm 時(shí)縱向阻力增加約0.77 kN，約5.1%；插入200 mm 時(shí)增加約2.27 kN，約15.2%；插入400 mm時(shí)增加約5.87 kN，約39.2%.

2.4 砟肩寬度

肩寬對(duì)橫向阻力影響如圖5（a）所示. 由圖可知：肩寬對(duì)橫向阻力影響較大；對(duì)鋼棒加強(qiáng)式軌枕，當(dāng)軌枕位移為2 mm，肩寬由300 mm 變?yōu)?00 mm 時(shí)，橫向阻力增加約2.52 kN，約15.3%；當(dāng)肩寬為300 mm時(shí)，鋼棒加強(qiáng)式軌枕橫向阻力比普通軌枕高4.13 kN，約33.4%.

肩寬對(duì)縱向阻力影響如圖5（b）所示，由圖可知：肩寬對(duì)縱向阻力影響較?。粚?duì)鋼棒加強(qiáng)式軌枕，取軌枕位移為2.0 mm，當(dāng)砟肩寬度由300 mm 增大至500 mm 時(shí)，縱向阻力增加2.1 kN，約11.2%；當(dāng)砟肩寬度為300 mm 時(shí)，鋼棒加強(qiáng)式軌枕縱向阻力比普通軌枕高3.77 kN，約25.2%.

圖5 肩寬對(duì)阻力影響Fig. 5 Influence of shoulder width on resistance

3 結(jié) 論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)、優(yōu)化我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ型軌枕，通過(guò)在軌枕生產(chǎn)過(guò)程中于軌枕中部預(yù)留孔洞，制作鋼棒加強(qiáng)式軌枕. 開(kāi)展道床阻力試驗(yàn)測(cè)試，比較普通軌枕及鋼棒加強(qiáng)式軌枕縱橫向阻力，主要結(jié)論如下：

1） 鋼棒加強(qiáng)式軌枕對(duì)軌枕縱橫向阻力均有很大提升. 如相比于普通混凝土軌枕（肩寬500 mm，堆高150 mm），鋼棒加強(qiáng)式軌枕（肩寬為500 mm，堆高0，鋼棒插入深度為400 mm）的橫向阻力提升約53.7%，縱向阻力提升約39.2%.

2） 鋼棒插入深度對(duì)軌枕縱橫向阻力有較大影響. 對(duì)鋼棒加強(qiáng)式軌枕，鋼棒插入深度由100 mm 變化至400 mm 時(shí)，相比于普通混凝土軌枕客貨共線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)斷面，道床橫向阻力增量由6.1%變至53.7%，縱向阻力增量由5.1%變至39.2%.

3） 鋼棒加強(qiáng)式軌枕可以提高軌枕底部對(duì)道床縱橫向阻力貢獻(xiàn)，進(jìn)而可降低砟肩堆高和寬度. 因此在長(zhǎng)大坡道及小半徑曲線(xiàn)段保證道床阻力前提下，使用鋼棒加強(qiáng)式軌枕可以使斷面更窄，用砟量更少.如當(dāng)鋼棒加強(qiáng)式軌枕肩寬為300 mm，砟肩堆高0，插入深度400 mm 時(shí)，其縱橫向阻力均高于普通條形混凝土軌枕.

鋼棒加強(qiáng)式軌枕能夠顯著增強(qiáng)道床縱橫向阻力，對(duì)于提高縱橫向阻力、減小道床斷面尺寸和道砟用量、降低建設(shè)成本具有一定意義，尤其對(duì)空間緊湊無(wú)縫線(xiàn)路建設(shè)提供了新思路. 本研究結(jié)果對(duì)長(zhǎng)大坡道鋼軌爬行及脹軌跑道防治具有一定參考價(jià)值. 同時(shí)，該方法能夠在不影響道床搗固維修前提下加強(qiáng)道床縱橫向阻力.