框架優化型Ⅲc軌枕道床橫向阻力試驗研究

井國慶,　付　豪,　賈文利,　姚　力,　林紅松

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

道床橫向阻力作為有砟道床力學特性重要參數和控制指標,對軌道幾何形位及無縫線路穩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方面著手：道床層面包括道砟顆粒形狀、級配、材質、道床斷面尺寸、密實度、臟污層度等[3-8]；軌枕層面包括軌枕形狀、尺寸、重量、材質等[1,9-11].除此之外,道床橫向阻力受運營維修如清篩、搗固影響較大,也是研究內容之一,如道床搗固后橫向阻力值減小可達50%[12-13].需要指出的是,近年來從道床層面提高道床阻力已經遇到瓶頸,很難再有較大空間.與此同時,隨著重載和超高速有砟道床發展以及應用環境和技術條件的復雜性和多樣性,對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、溫差過大地段、曲線超高地段等;如設計時速400 km/h俄羅斯莫喀高鐵、英國HS2高鐵和抗震要求的伊朗德伊高鐵等,以上這些對道床阻力、無縫線路穩定性、飛砟防治產生巨大挑戰.需要再次強調的是,軌枕設計是提高有砟道床縱橫向阻力、降低道床垂向動力、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,新型軌枕研發和運用應運而生,對普通條型軌枕的尺寸、長度、外形、材料、配筋及重量等方面進行優化,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,傳統普通條枕通過砟肩堆高方式增加道床橫向阻力增加了飛砟發生幾率,難以滿足超高速鐵路無縫線路穩定性和飛砟安全性要求.因此框架軌枕成為上述問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工作狀態,研究主要集中于普通條枕、維修穩定前后、臟污狀態、斷面形式等的影響規律和宏觀力學特性,缺乏針對我國標準Ⅲc型軌枕的優化及優化后新型軌枕的道床阻力測試分析.

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與組成相關研究,在標準Ⅲc型混凝土軌枕上設計制作3種新型軌枕,形成了具有骨架式構造的條形軌枕,后文稱為框架式軌枕.所設計制造框架軌枕不影響有砟道床養護維修作業.同時通過道床橫向阻力現場試驗,測試、比較、分析各框架軌枕與標準Ⅲc型混凝土軌枕的橫向阻力特性.本次實驗中道床狀態與實際運營線路具有區別,本文橫向阻力測試所用道床為新鋪道床,鋪設過程中分層采用小型壓實機密實,鋪設完成后未經過列車碾壓密實.

1　材料及方法

1.1　框架軌枕

國內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比例根據線路運營條件不同,一般來說,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、顆粒錯動滑移和道砟顆粒重新排列而產生,枕底、枕端、枕心均是提供道床橫向阻力的重要部位,優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.因此基于我國標準Ⅲc型混凝土軌枕,同時考慮有砟道床傳統養護維修作業工序,本文設計了3種框架軌枕:A為在我國標準Ⅲc型混凝土軌枕承軌臺設計翼緣進行兩端加寬(H型混凝土軌枕);B為在我國標準Ⅲc型混凝土軌枕中部進行加寬(十字型混凝土軌枕);C為在我國標準Ⅲc型混凝土軌枕承軌臺底部進行加厚(π型混凝土軌枕).3種基礎新型混凝土軌枕與我國標準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

按設計尺寸特制混凝土塊,在我國標準Ⅲc型軌枕特定部位上，如承軌臺底部、邊緣及軌枕中部采用高強AB膠,粘結特制混凝土塊,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框架軌枕所粘結小塊尺寸.混凝土塊設計尺寸基于標準Ⅲc型軌枕尺寸、軌枕間距(0.6 m)及我國高速鐵路設計規范所規定的特級道砟粒徑.

(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高強混凝土,所用膠體為專用高強AB膠,抗拉強度40 MPa.本文旨在測試各型框架軌枕及Ⅲc型混凝土軌枕橫向阻力,各框架軌枕黏結面經計算具有足夠抗剪強度,阻力實驗后,道砟膠黏結面并未發生破壞,膠黏結面結實可靠.框架軌枕實物如圖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平面;設置斜面保證與軌枕貼合;混凝土塊梯形截面上長度13 cm 大于兩個道砟最大粒徑,下長度10 cm大于兩個道砟平均粒徑,同時保證相鄰軌枕最窄處間距大于兩個道砟最大粒徑.A框架軌枕混凝土塊沿軌枕長度方向取14 cm,取約為承軌臺平面長度的1/2;B框架軌枕混凝土塊沿軌枕長度方向取18 cm,約為軌枕中部平面長度的2/3；C框架軌枕混凝土塊橫向寬度取軌枕底面寬度32 cm,縱向厚度8 cm略大于一個道砟的最大粒徑6.3 cm，且約為兩個道砟平均粒徑,沿軌枕長度方向取14 cm,約為承軌臺平面長度的1/2.

1.2　有砟道床

本文試驗為道床橫向阻力測試實驗,測試地點位于北京交通大學濱海學院室外試驗場內,人工鋪設12 m有砟軌道.試驗采用我國標準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;試驗道砟為水洗玄武巖碎石,道砟粒徑級配等各項指標均符合特級道砟的要求[25].

鋪設時采用分層夯實保證道床密實度,采用110型電動平板夯實機對350 mm厚道床分4層4次夯實鋪設,軌枕放置后,枕心及砟肩部位采用3層 3次夯實.為保證試驗對比準確,所有工況嚴格采用同樣鋪設夯實方法,保證道床密實度相同.現場阻力測試如圖5所示.

(a) 加載裝置(b) 位移計圖5 現場阻力測試Fig.5 Lateral resistance in-situ test

每組測試結束后,等待軌枕回彈,換填道砟,采用電動平板夯實機重新對道床進行夯實,最大限度保證每次試驗道床情況相同,每組工況測試3組實驗數據,將3組實驗數據取平均值,試驗結果中軌枕位移2 mm時阻力值為該軌枕的道床橫向阻力.

1.3　試驗工況

為研究各框架軌枕與標準Ⅲc型軌枕橫向阻力受砟肩寬度、堆高影響,對比分析各框架軌枕與標準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、砟肩堆高為測試變量,其余實驗道床參數均取定值,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.共設置12種工況,如表1.

表1試驗工況
Tab.1Test condition mm

工況軌枕類型砟肩寬度砟肩堆高1標準Ⅲc型50002標準Ⅲc型5001503標準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　結果與分析

2.1　A型框架軌枕

標準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明顯峰值也無峰值軟化現象,阻力隨位移增大而逐漸增大,曲線趨勢表明新鋪道床并未達到致密狀態[26].A型框架軌枕相較于標準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%),與鐵科院現場測試結果具有高度吻合[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%).

對比工況1、2,砟肩堆高由0增至150 mm,標準Ⅲc型軌枕道床橫向阻力值由約7.1 kN增至9.8 kN;對比工況1、3,砟肩寬度由300 mm增至500 mm 時,標準 Ⅲc型軌枕道床橫向阻力由約 6.1 kN 增至7.1 kN；對比工況4、5,砟肩堆高由0增至150 mm時,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準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；對比工況4、6,砟肩寬度由300 mm增至500 mm時,A框架軌枕阻力由約 9.2 kN 增至10.2 kN,增加約1.0 kN,標準 Ⅲc型軌枕在同樣砟肩變化下阻力提升值也約為 1.0 kN,A框架和標準 Ⅲc型軌枕阻力提升值基本相同.

圖6　標準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處增設翼緣,增加了軌枕端頭處軌枕移動時道砟剪切鍥體徑向寬度,理論上相較于標準Ⅲc 型軌枕砟肩寬度及堆高的變化對于軌枕橫向阻力影響更大,然而本次試驗結果中砟肩寬度變化對于A型軌枕及標準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底部,離軌枕端部較遠,影響道砟剪切鍥體范圍還未到達砟肩寬度300 mm外部位,但已到達道床砟肩堆高部位.同時由于軌枕兩端均設置有翼緣加寬,相鄰軌枕間道砟與軌枕相互作用除軌枕側面摩擦作用外還存在翼緣加寬處抗剪切滑動阻力,該部分阻力對橫向阻力提升也有較大貢獻.

2.2　B型框架軌枕

標準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明顯峰值也無峰值軟化,阻力隨位移增大而逐漸增大;B型框架軌枕相較于標準 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%).

對比工況7、8,砟肩堆高由0增至150 mm時,B框架軌枕阻力由約 9.5 kN 提升至12.3 kN,增大約2.8 kN,相較于標準Ⅲc型軌枕相同砟肩堆高變化時的阻力提升值 2.7 kN并無明顯差異；對比工況7、9,砟肩寬度由300 mm增至500 mm時,B框架軌枕阻力由約 8.6 kN 增加至9.5 kN,增加約0.9 kN,相較于標準Ⅲc型軌枕相同砟肩寬度變化時阻力提升約 1.0 kN,并無明顯變化.由試驗數據可大致判斷,B型框架軌枕與標準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　標準Ⅲc、B型軌枕橫向阻力-位移Fig.7　Resistance-displacement of Ⅲc sleeper and B frame sleeper

根據軌枕與道床相互作用分析,B型框架軌枕在軌枕中部增設加寬,加寬部位距軌枕端頭部位較遠,軌枕發生位移時翼緣加寬部位影響道砟顆粒集中于軌枕中部兩側,軌枕端頭處道砟滑動剪切鍥體體積并無明顯變化,因而相較于標準Ⅲc型軌枕,砟肩寬度及砟肩堆高的提升對軌枕橫向阻力的增加效果相差不大.但由于軌枕中部設置有翼緣加寬,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阻力,該部分阻力對橫向阻力提升有較大貢獻.

2.3　C型框架軌枕

標準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明顯峰值也無峰值軟化現象;C型框架軌枕相較于標準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%).

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

圖8　標準Ⅲc、C型軌枕橫向阻力-位移Fig.8　Resistance-displacement of Ⅲc sleeper and C frame sleeper

根據軌枕與道床相互作用分析,C型框架軌枕在軌枕承軌臺底部設置加厚臺,軌枕底部軌枕道砟相互作用由簡單的相互摩擦作用變為相互摩擦與軌枕底部道砟剪切作用相結合,剪切作用等同于在軌枕承軌臺底部加厚區域各形成了一個道砟剪切鍥體,對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,加厚部位所影響范圍并未達到軌枕端部,因而相較于標準 Ⅲc型軌枕,砟肩寬度和堆高改變對C型框架軌枕橫向阻力影響幾乎相同.

3　結　論

本文通過設計、優化我國標準Ⅲc型軌枕,采用高強膠黏結特制混凝土塊,制作3種框架軌枕,開展道床橫向阻力試驗測試標準Ⅲc型軌枕及各框架軌枕橫向阻力,試驗表明各型框架軌枕相較于標準Ⅲc型軌枕道床橫向阻力均有較大提升作用.本文所優化的框架軌枕對于軌枕選型、減少道床斷面尺寸和道砟用量、降低建設成本具有一定意義.