枕間道砟對(duì)道床縱橫向阻力影響試驗(yàn)研究

井國(guó)慶，王新雨，周 強(qiáng)，蔡小培

(北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044)

道床縱橫向阻力是列車安全、平穩(wěn)舒適運(yùn)行的必要條件，一直以來(lái)是軌道工程研究重點(diǎn)內(nèi)容之一[1]。道床縱橫向阻力與軌枕、道砟散體和道床斷面有關(guān)[2]。近年來(lái)，隨著我國(guó)重載和高速鐵路建設(shè)，對(duì)于軌道結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性提出更全面要求，比如安全性與穩(wěn)定性之間平衡問(wèn)題。隨列車車速增加，道砟受高速風(fēng)壓及道床振動(dòng)影響，容易產(chǎn)生飛濺，對(duì)列車車體及軌道結(jié)構(gòu)造成損害[3]。因此，我國(guó)TG/GW 116—2013《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則》(試行)[4]和TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]規(guī)定需要優(yōu)化有砟道床斷面、降低枕間道砟高度及砟肩高度，如前者規(guī)定將速度為250～300 km/h道床斷面砟肩堆高，由通常情況下150 mm降為100 mm，并適當(dāng)降低枕間道床與軌枕上表面高差，當(dāng)速度為200～250 km/h時(shí)，道床頂面在軌枕承軌面以下30～40 mm；當(dāng)速度為250～300 km/h時(shí)，道床頂面在軌枕承軌面以下40～50 mm[4]。同時(shí)可以進(jìn)一步推斷，隨著列車速度提高，道床頂面，尤其是枕間道砟位置與軌枕承軌面高差會(huì)增加，然而枕間道砟不飽滿，均會(huì)一定程度上降低道床縱橫向阻力值。與此同時(shí)，需要指出的是隨著速度提高，無(wú)縫線路需要更高道床阻力，如濟(jì)青高鐵、京張高鐵、北盤江大橋都采用了聚氨酯道床方案。高速有砟道床參數(shù)見(jiàn)表1[4]。

表1 道床主要狀態(tài)參數(shù)指標(biāo)

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)枕間道砟與道床阻力關(guān)系開(kāi)展了一些相關(guān)研究。研究結(jié)果表明，枕間道砟通過(guò)與軌枕側(cè)面的摩擦，提供10%～15%的道床橫向阻力[6]。文獻(xiàn)[7]則顯示枕間道砟對(duì)縱向阻力的分擔(dān)約為58.7%。枕間道砟飽滿將使道床橫向阻力顯著增大，有利于無(wú)縫線路穩(wěn)定性[8]。枕間道砟除了影響道床橫向阻力外，也影響道床縱向阻力。

綜上所述，我國(guó)缺乏現(xiàn)有規(guī)范條件下枕間道砟飽滿程度對(duì)道床縱橫向阻力試驗(yàn)和研究，使得在高速有砟鐵路道床斷面選型時(shí)缺少依據(jù)，存在一定安全隱患，導(dǎo)致飛砟防治措施過(guò)度或者無(wú)縫線路失穩(wěn)[1]。本文綜合考慮飛砟防治和無(wú)縫線路穩(wěn)定需求，基于試驗(yàn)研究枕間道床飽滿程度對(duì)鐵路有砟道床縱橫向阻力影響、分擔(dān)，同時(shí)提供在枕間道砟缺失條件下，增強(qiáng)縱橫向阻力方法與結(jié)構(gòu)，為高速鐵路有砟道床設(shè)計(jì)提供相應(yīng)理論和試驗(yàn)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)有砟軌道試驗(yàn)平臺(tái)全長(zhǎng)20 m，厚度為350 mm，邊坡坡度為1∶1.75，砟肩寬度為500 mm，嚴(yán)格按照高速鐵路有砟道床材質(zhì)和斷面進(jìn)行鋪設(shè)。采用Ⅲ型混凝土枕，軌枕間距600 mm，枕間道砟高度及砟肩形狀由工況決定。試驗(yàn)場(chǎng)選用的道砟級(jí)配符合我國(guó)TB 2140—2008《鐵路碎石道砟》[9]中關(guān)于高速鐵路特級(jí)道砟的規(guī)定，材料為玄武巖。在鋪設(shè)過(guò)程中，為了保證道床密實(shí)，采用電動(dòng)平板夯實(shí)機(jī)對(duì)道床進(jìn)行分層夯實(shí)。將350 mm厚的道床共分為三層，每一層鋪設(shè)完成后都進(jìn)行夯實(shí)。在放置軌枕之后，對(duì)軌枕周圍道砟也都采用三層分層夯實(shí)方法。為了保證各種工況密實(shí)度相同，所有工況都采用相同夯實(shí)方法。

1.2 試驗(yàn)工況

本文研究枕間道砟高度對(duì)Ⅲ型軌枕縱向阻力和橫向阻力的影響，對(duì)各種工況下的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。為了保證結(jié)果對(duì)比有效，根據(jù)我國(guó)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，將工況1—工況8的砟肩寬度定為500 mm，砟肩堆高定為150 mm。同時(shí)，為了計(jì)算得到縱向阻力分擔(dān)情況，工況9不設(shè)置砟肩。工況設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)工況

1.3 道床阻力試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用分級(jí)加載方式，對(duì)每種工況進(jìn)行3次試驗(yàn)，3組試驗(yàn)結(jié)果的平均值為最終結(jié)果，各工況均取位移為2 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的阻力值作為道床阻力。每種工況測(cè)試完成后，對(duì)道床進(jìn)行整形、搗固以及夯實(shí)，再進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。本次試驗(yàn)用到的儀器有：自制反力架，液壓千斤頂(10 t)，壓力傳感器(輪輻式)，千分表(量程為30 mm)，應(yīng)變調(diào)理儀(INV861A型)，數(shù)據(jù)采集儀(INV3018A型)等。

2 結(jié)果與分析

2.1 橫向阻力分擔(dān)

對(duì)普通條形軌枕來(lái)說(shuō)，道床的橫向阻力主要由3部分組成。本文分別通過(guò)3組道床橫向阻力試驗(yàn)取均值，研究阻力分擔(dān)。試驗(yàn)軌枕橫向阻力分擔(dān)情況見(jiàn)圖1。由圖1可知：軌枕底面提供橫向阻力值約占總體47%～52%；軌枕側(cè)面與枕間道砟摩擦約占總體10%～13%；而軌枕端部道砟因抗剪而產(chǎn)生的橫向阻力值約為34%～38%，本試驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)研究成果具有一致性[6]。

圖1 軌枕橫部位向阻力分擔(dān)

2.2 枕間道砟對(duì)橫向阻力影響

阻力隨位移增大而增大，也隨著枕間道砟飽滿度增大而增大。枕間道砟高差對(duì)橫向阻力影響見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，各工況下阻力位移曲線并未出現(xiàn)明顯峰值，但也沒(méi)有出現(xiàn)峰值軟化情況。相比枕間道砟飽滿工況，枕間道砟高度降低50 mm時(shí)橫向阻力減少了0.61 kN，即6.0%左右；枕間道砟高度降低100 mm時(shí)，橫向阻力減少了1.08 kN，約11.0%；而枕間無(wú)道砟工況，橫向阻力相比枕間道砟飽滿時(shí)減少了1.31 kN，即13.0%左右。由此可知，枕間道砟飽滿度對(duì)道床橫向阻力有一定影響，防治飛砟技術(shù)措施降低枕間道砟飽滿度后引起道床阻力降低，需要引起注意，必要時(shí)宜采取措施提升道床阻力。

圖2 枕間道砟高差對(duì)橫向阻力的影響

2.3 縱向阻力分擔(dān)

與橫向阻力構(gòu)成類似，軌枕的縱向阻力也可以分為三個(gè)組成部分。首先是由底部道砟與軌枕底部剪切摩擦產(chǎn)生縱向阻力，其次是枕間道砟與軌枕剪切作用產(chǎn)生的縱向阻力，最后是砟肩與軌枕兩端剪切產(chǎn)生縱向阻力，見(jiàn)圖3。

圖3 軌枕縱向阻力構(gòu)成示意圖

工況5得到的縱向阻力值為總值，即由軌枕底部道砟、枕間道砟以及砟肩道砟三部分提供的縱向阻力。工況8所得的縱向阻力為軌枕底部與砟肩兩部分提供阻力。工況9測(cè)得縱向阻力為軌枕底面提供阻力。工況8和工況9測(cè)得縱向阻力之差即為砟肩阻力，工況5和工況8測(cè)得縱向阻力之差即為枕間道砟阻力，由此可得到3部分道床縱向阻力值及在總值中所占的比例，以上試驗(yàn)分別進(jìn)行三次取平均值。結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，縱向阻力主要由枕間道砟提供為70%，其次為軌枕底部為25%，最后為砟肩為5%。

表3 縱向阻力分擔(dān)

2.4 枕間道砟對(duì)縱向阻力影響

相比枕間飽滿工況，枕間道砟降低50 mm時(shí)，縱向阻力降少了3.11 kN為25.6%；枕間道砟降低100 mm時(shí)縱向阻力減少了7.17 kN為59.0%；而枕間無(wú)道砟時(shí)，減少了8.41 kN為69.3%。枕間道砟高差對(duì)橫向阻力影響見(jiàn)圖4。由圖4可知：枕間道砟飽滿度對(duì)道床縱向阻力影響顯著。

圖4 枕間道砟高差對(duì)縱向阻力的影響

3 增強(qiáng)方案

隨著高速鐵路和重載鐵路發(fā)展，有砟道床必須在防止或者降低飛砟病害前提下，提供足夠道床縱橫向阻力，需要指出的是，重載鐵路小曲線半徑更容易失穩(wěn)，對(duì)道床阻力指標(biāo)要求更高。TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]和TG/GW 116-2013《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則》[4](試行)均規(guī)定，防治飛砟需要相應(yīng)地降低枕間道砟高度，導(dǎo)致道床縱橫向阻力降低。為了保證在降低道床枕間道砟飽滿度情況下道床縱橫向阻力，需要采取一定措施進(jìn)行加強(qiáng)，本文總結(jié)了以下四種解決措施。

3.1 局部噴涂聚氨酯

相關(guān)研究表明[3]，在不影響搗固維修前提下，采用道床局部噴涂聚氨酯后，道床縱向阻力增加了6.31%～15.60%，道床橫向阻力增加了8.70%～17.14%，進(jìn)而可以相應(yīng)降低砟心道砟，降低飛砟幾率和風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[10]表明在道床全斷面噴涂道砟膠，可以提高縱向阻力8.5倍，提高橫向阻力17.4倍。

3.2 新型軌枕設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)軌枕進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也可以增強(qiáng)道床阻力，包括異型軌枕和摩擦型軌枕[11-12]。使用異型軌枕如在軌枕兩側(cè)設(shè)置翼部，可以提高道床橫向阻力約29.4%[11]。使用摩擦型軌枕如在軌底設(shè)置波浪形紋理，可以增加64%橫向阻力[12]。同時(shí)，還有可以使用長(zhǎng)釘固定的軌枕等，對(duì)道床縱橫向阻力提升也有顯著效果[13]。

3.3 軌枕附加裝置

通過(guò)對(duì)軌枕增加一些簡(jiǎn)單裝置可提升道床阻力。如在軌枕的兩側(cè)和中心加裝擋板，既便于安裝和維修替換，又能有效地提升道床橫向阻力，對(duì)道床擾動(dòng)也較小[14-15]，擋板的外形見(jiàn)圖5。

圖5 軌枕?yè)醢錥14]

3.4 枕間道床夯實(shí)裝置

瑞士MATISA搗固機(jī)械公司提供一枕間道床壓實(shí)裝置，與搗固車安裝在一起，搗固前枕同時(shí)進(jìn)行壓實(shí)已經(jīng)搗固后枕，搗固維修后道床橫向阻力增加了30%以上，如果同時(shí)采用砟肩壓實(shí)裝置，道床橫向阻力增加了55%以上，不占用搗固機(jī)械額外時(shí)間，具體夯實(shí)裝置見(jiàn)參考文獻(xiàn)[16]，枕間道床壓實(shí)裝置作用前后橫向阻力對(duì)比見(jiàn)圖6。

圖6 壓實(shí)作用對(duì)橫向阻力的影響[16]

4 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)研究了枕間道砟對(duì)道床縱橫向阻力機(jī)理和影響規(guī)律，對(duì)高速鐵路有砟道床斷面設(shè)計(jì)和規(guī)范制訂均具有一定參考價(jià)值，尤其是在保持無(wú)縫線路縱橫向阻力條件下，如何有效降低飛砟風(fēng)險(xiǎn)和幾率。主要結(jié)論如下：

(1) 枕間道砟是道床縱橫向阻力重要組成部分，占橫向阻力的10%～13%，占縱向阻力的66%～70%。

(2) 枕間道砟頂面與軌枕承軌面高差越大(飽滿度越低)，道床縱橫向阻力減少越多。如高差為5 cm時(shí)，相比枕間道砟飽滿的情況，縱橫向阻力分別減少了25.6%和6.0%。

(3) 當(dāng)枕間道砟降低后，宜采取局部噴涂聚氨酯，以及采用新型軌枕或安裝附加裝置等方案進(jìn)行道床阻力加強(qiáng)。