復合軌枕道床橫向阻力試驗及優化分析

井國慶,宋佳寧,強偉樂,付 豪,白 健

(1.北京交通大學土木建筑工程學院, 北京 100044； 2.中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600； 3.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所,北京 100081； 4.洛陽科博思新材料科技有限公司,河南洛陽 471000)

引言

在有砟軌道結構中，軌枕是重要的組成部件，承擔著固定和保持軌距，承受列車荷載并傳遞壓力，保持軌道穩定性的功能[1]。傳統軌枕按材料分為木枕、混凝土枕和鋼枕3種。然而，傳統軌枕的性能存在缺陷，并且其生產使用中或廢棄后造成了一系列環境問題[2-3]。如木枕的生產需要消耗大量優質木材，且進行防腐處理時，使用的化學防腐劑會對環境造成一定危害[4]。而對于鋼枕和混凝土枕，混凝土和鋼材的生產過程中會排放大量溫室氣體。因此，世界各地研究人員積極開發能代替傳統軌枕的新材料軌枕。近年來，隨著化工和循環再生技術不斷發展，逐漸出現了以玻璃纖維、聚氨酯、橡塑、橡膠、樹脂等復合材料為原料的復合軌枕[5-7]。與傳統軌枕相比，復合軌枕設計應用靈活、安裝運輸方便，彈性好，減振降噪性能好，在絕緣性、耐腐蝕性、抗老化性等性能方面有相對優勢，且可回收再利用[5-6]。從經濟角度考慮，雖然復合軌枕的生產成本較高且成本隨纖維含量的增大而增大，但復合軌枕全壽命周期成本有望達到甚至低于傳統軌枕。此外，復合軌枕可任意切割、拼接、組合，突破預應力混凝土軌枕條形單一結構。同時復合軌枕無混凝土保護層問題，可在軌枕外表面形成各種紋理、刻痕等。因此，復合軌枕是傳統軌枕合適的替代品。

然而，與預應力混凝土軌枕相比，復合軌枕質量較輕且表面光滑，因此道床橫向阻力不足是其面臨的一個重要問題。而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[1]。美國運輸技術中心(TTCI)試驗結果表明，復合軌枕和木枕橫向阻力比較接近，低于預應力混凝土軌枕[8]。FFU合成軌枕在廣州地鐵4號線使用之初，也出現道床阻力較小，在道床條件不好地段軌道穩定性不足的問題[9]。

提升復合軌枕道床橫向阻力，可從道床及軌枕兩方面入手。道床方面包括增大砟肩尺寸、優化道砟級配等[10-12]，而軌枕方面包括軌枕材質、質量、外形結構等[13-15]。針對復合軌枕道床阻力不足的問題，美國鐵路工程和維修協會手冊(AREMA)建議在復合軌枕表面設置紋理以提高復合軌枕橫向阻力，并指出沒有表面紋理的復合軌枕的道床橫向阻力值最高僅為8.9 kN，而有表面紋理的復合軌枕道床橫向阻力可達17.8 kN或更高[15]。廣州地鐵采取軌枕兩端增加垂向鋼板和地錨拉桿措施，解決了4號線FFU合成軌枕道床阻力不足的問題[9]。然而，目前國內外關于道床橫向阻力的研究大多針對傳統軌枕，針對復合軌枕的研究相對欠缺。

與此同時，本文僅針對于復合軌枕橫向阻力研究，主要原因為，橫向阻力引起的無縫線路失穩最為危險，同時影響因素多，尤其是砟肩和枕底部位。相對而言，縱向阻力影響因素較少，且主要取決于枕心道砟飽滿度和密實度，如枕心約占縱向阻力70%[1]。

針對復合軌枕道床橫向阻力不足的問題，提出多種復合軌枕結構優化及細部優化方案，開展一系列原型、結構優化、細部優化復合軌枕，以及Ⅲ型混凝土軌枕道床橫向阻力試驗研究。在此基礎上，定量分析原型復合軌枕和Ⅲ型混凝土軌枕道床橫向阻力差異，確定砟肩尺寸對道床橫向阻力的影響，研究結構優化及細部優化復合軌枕橫向阻力提升情況。

1 材料及方法

1.1 復合軌枕

本文測試采用由連續玻璃纖維增強改性氨基甲酸乙酯樹脂發泡而成的新型FFU軌枕。原型復合軌枕(條狀)尺寸為2 600 mm×260 mm×260 mm。為增加復合軌枕橫向阻力，綜合考慮成本及可行性等因素，提出多種結構優化及細部優化方案。本文測試所用復合軌枕如圖1所示。

圖1 復合軌枕

研究表明，條狀軌枕的道床阻力主要包括三部分：軌枕兩側阻力，砟肩端頭阻力以及軌枕底部阻力；軌枕兩側提供道床阻力一般為總值的15%～20%，具有較大提升空間[10，16-17]。因此，在不影響搗固維修情況下，為增大軌枕側面與道砟顆粒相互作用和擾動范圍，設計了2種結構優化復合軌枕。

A1型：軌枕中部兩側設置塊狀凸起；

A2型：承軌臺兩側設置塊狀凸起。

塊狀凸起結構的寬度(沿軌枕寬度方向)為60 mm，約為一個道砟顆粒最大粒徑。長度(沿軌枕長度方向)為60 mm，可保證凸起結構自身及與軌枕粘接面有足夠強度。高度與軌枕高度相同，為260 mm。凸起結構材料與復合軌枕材料相同，制作成型后使用專用膠加壓粘貼于復合軌枕上，粘接面具有足夠抗剪強度，結實可靠，可保證試驗過程中不發生破壞。2種結構優化復合軌枕及其尺寸見圖2。

圖2 結構優化復合軌枕(單位：mm)

本文所設計的細部優化復合軌枕是在復合軌枕表面設置條形凸起紋理，以增加與道砟咬合和擾動。2種細部優化復合軌枕如下。

B1型：軌枕底面設凸起紋理。

B2型：軌枕底面及兩側面設凸起紋理。

凸起紋理寬度及厚度的取值參考了國外多種復合軌枕表面紋理尺寸，并考慮到加工制作的方便，均取10 mm。凸起紋理間隔為100 mm，大于兩個道砟平均粒徑。軌枕底面凸起紋理長度為240 mm，比復合軌枕底面寬度減少20 mm，可避免磕碰。軌枕側面凸起紋理高度為200 mm，比復合軌枕側面高度降低60 mm，可避免磕碰并保證略高于枕心道砟。2種細部優化復合軌枕如圖3所示。

圖3 細部優化復合軌枕(單位：mm)

1.2 道床

本文試驗道床厚度350 mm，邊坡坡度1:1.75，軌枕間距600 mm，枕心道砟飽滿。道砟材質為水洗玄武巖，道砟粒徑級配曲線如圖4所示，各項指標均符合一級道砟要求[18]。

圖4 道砟級配曲線

布置過程中為保證道床密實、堆砟飽滿，鋪設時采用分層夯實方法，使用110型電動平板夯實機，350 mm厚道床分4層進行鋪設夯實。軌枕放置后，砟肩和枕心道砟分3層進行夯實。為保證試驗對比準確，所有工況嚴格采用相同夯實方法和參數。需要注明的是，本文阻力測試道床并未經列車運營碾壓密實。

1.3 試驗工況

本文研究原型復合軌枕與Ⅲ型混凝土軌枕道床橫向阻力的差異，并明確砟肩寬度、堆高對復合軌枕道床橫向阻力的影響，重點分析結構優化及細部優化復合軌枕相對于原型復合軌枕道床橫向阻力提升效果。本文選取軌枕類型、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。試驗工況設置如表1所示。

表1 試驗工況

1.4 道床橫向阻力試驗

道床橫向阻力試驗采用現場原位測試方法。試驗采用分級加載方式，每種工況進行3次試驗，將多次試驗數據取均值，得到最終試驗結果，并根據測試所得數據繪制道床橫向阻力-軌枕位移曲線圖，位移取至4 mm，取各工況下取軌枕位移為2 mm時所對應的阻力值作為道床橫向阻力代表值[13]。每次測試完成后，對道床重新進行整形、夯實，再進行后續測試。

試驗儀器為：自制反力架、100 kN液壓千斤頂、輪輻式壓力傳感器、30 mm量程千分表、INV1861A型應變調理儀、INV3018A型數據采集儀。現場阻力測試如圖5所示。

圖5 現場阻力測試

2 結果與分析

2.1 原型復合軌枕

根據試驗數據繪制的Ⅲ型混凝土軌枕及原型復合軌枕道床橫向阻力-軌枕位移曲線分別如圖6、圖7所示。取軌枕位移為2 mm時所對應的橫向阻力值，原型復合軌枕與Ⅲ型混凝土軌枕的道床橫向阻力對比如圖8所示(橫坐標表示工況，如500-150表示砟肩寬度為500 mm，砟肩堆高為150 mm，下同)。結果表明，原型復合軌枕橫向阻力為5.97～8.42 kN，Ⅲ型混凝土枕橫向阻力為7.57～10.25 kN。在相同道床斷面參數下，原型復合軌枕與Ⅲ型混凝土枕的橫向阻力相差1.37～1.89 kN，原型復合軌枕橫向阻力為Ⅲ型混凝土枕的78%～84%。綜上，原型復合軌枕道床橫向阻力低于Ⅲ型混凝土軌枕。

圖6 Ⅲ型混凝土軌枕位移-阻力曲線

圖7 原型復合軌枕位移-阻力曲線

圖8 原型復合軌枕與Ⅲ型軌枕橫向阻力對比

增加砟肩尺寸，是提高軌道橫向穩定性的重要措施之一，其中包括砟肩寬度和堆高兩方面。根據以上試驗結果，以原型復合軌枕為例，研究砟肩寬度、堆高對道床橫向阻力的影響。砟肩堆高、砟肩寬度對條形復合軌枕道床橫向阻力的影響如表2、表3所示。

表2 砟肩堆高對原型復合軌枕橫向阻力影響

表3 砟肩寬度對原型復合軌枕橫向阻力影響

由表2可得，當砟肩寬度一定，砟肩堆高由0 mm增至150 mm時，原型復合軌枕道床橫向阻力隨之增大。當砟肩寬度分別為300,400 mm及500 mm時，砟肩堆高造成的阻力增量分別是0.70，0.65 kN及0.80 kN，增幅分別為11.7%，9.2%及10.5%。且不同砟肩寬度下，增大砟肩堆高造成的道床橫向阻力增量基本一致。

由表3可得，砟肩堆高相同時，原型復合軌枕道床橫向阻力隨砟肩寬度增大而增大。當砟肩堆高為0 mm時，砟肩寬度由300 mm增大到500 mm時，每加寬100 mm，道床橫向阻力分別增大1.09 kN和0.56 kN，增幅分別為18.3%和7.9%。當砟肩堆高為150 mm時，砟肩寬度由300 mm增大到500 mm時，每增大100 mm，橫向阻力分別增長1.04 kN和0.71 kN，即增幅為15.6%和9.2%。且可知，隨著砟肩寬度的增大，道床橫向阻力增幅減小，與國內外相關研究一致[1，10，19]。

另外結合圖8分析可得，原型復合軌枕道床橫向阻力提升規律與Ⅲ型混凝土枕大致相同：道床橫向阻力隨砟肩堆高及砟肩寬度增大而增大。

2.2 結構優化復合軌枕

根據試驗數據繪制的不同道床斷面尺寸下A1型、A2型結構優化復合軌枕位移-阻力曲線，分別如圖9、圖10所示。選取軌枕位移為2 mm時所對應的道床橫向阻力，A1型、A2型結構優化復合軌枕道床橫向阻力如圖11所示。

圖9 A1型結構優化復合軌枕位移-阻力曲線

圖10 A2型結構優化復合軌枕位移-阻力曲線

圖11 結構優化復合軌枕道床橫向阻力

由試驗結果可得，不同道床幾何斷面下，A1型結構優化復合軌枕道床橫向阻力為6.66～9.34 kN，A2型結構優化復合軌枕道床橫向阻力為6.88～9.79 kN。相同條件下，A2型復合軌枕相比于A1型復合軌枕道床橫向阻力可高出3%～5%。

3種道床幾何斷面下，A1型結構優化復合軌枕相對于原型復合軌枕橫向阻力可分別增大0.69，0.75，0.92 kN，增幅分別為11.6%，9.8%，10.9%；A2型結構優化復合軌枕相對于原型復合軌枕橫向阻力可分別增大0.91，1.21，1.37 kN，增幅分別為15.2%，15.9%，16.3%。

同時與Ⅲ型混凝土枕道床橫向阻力進行對比，結果表明，A1型結構優化復合軌枕橫向阻力約為Ⅲ型混凝土枕的88%～91%，A2型結構優化復合軌枕橫向阻力為Ⅲ型混凝土枕的91%～96%。

綜上，通過在復合軌枕側面增設塊狀凸起對軌枕側面局部加寬，可有效增大道床橫向阻力。其主要原因是，凸起翼緣可增大軌枕側面與道砟相互作用和擾動范圍。且在承軌臺兩側設置凸起翼緣比在軌枕中部兩側設置翼緣道床橫向阻力可高出3%～5%。

2.3 細部優化復合軌枕

根據試驗數據繪制的不同道床斷面尺寸下B1型、B2型細部優化復合軌枕位移-阻力曲線分別如圖12、圖13所示。選取軌枕位移為2 mm時所對應的道床橫向阻力，B1型、B2型細部優化復合軌枕道床橫向阻力如圖14所示。

圖12 B1型細部優化復合軌枕位移-阻力曲線

圖13 B1型細部優化復合軌枕位移-阻力曲線

圖14 細部優化復合軌枕道床橫向阻力

由試驗結果可得，不同道床幾何斷面下，B1型細部優化復合軌枕道床橫向阻力為6.56～9.27 kN，B2型細部優化復合軌枕道床橫向阻力為7.11～9.86 kN。相同條件下，B2型復合軌枕相比于B1型復合軌枕道床橫向阻力可高出6%～9%。

3種道床幾何斷面下，B1型細部優化復合軌枕相對于原型復合軌枕橫向阻力可分別增大0.59，0.62，0.85 kN，增幅分別為9.9%，8.1%，10.1%；B2型細部優化復合軌枕相對于原型復合軌枕橫向阻力可分別增大1.14，1.39，1.44 kN，增幅分別為19.1%，18.2%，17.1%。

同時與Ⅲ型混凝土枕道床橫向阻力進行對比，結果表明，B1型細部優化復合軌枕橫向阻力為Ⅲ型混凝土枕的87%～90%，B2型細部優化復合軌枕橫向阻力為Ⅲ型混凝土枕的94%～97%。

綜上，在復合軌枕表面增設表面紋理可有效提高道床橫向阻力。其主要原因是表面紋理可增強軌枕表面和道砟顆粒之間接觸、咬合及嵌入。且本文建議在軌枕底面及兩側面同時設置紋理。

3 結論

由于復合軌枕自身密度和材質原因，其道床橫向阻力較混凝土軌枕低。本文提出多種復合軌枕優化方案，依托有砟道床試驗平臺，開展了一系列原型、結構優化、細部優化復合軌枕及Ⅲ型混凝土軌枕道床橫向阻力試驗，對比原型復合軌枕和混凝土軌枕道床橫向阻力差距，揭示道床斷面對其橫向阻力影響規律，明確優化后復合軌枕提升效果。具體研究結論如下。

(1)原型復合軌枕與Ⅲ型混凝土軌枕道床橫向阻力變化規律具有一致性；原型復合軌枕橫向阻力為相同條件下Ⅲ型混凝土軌枕道床橫向阻力的78%～84%，存在道床橫向阻力不足風險。

(2)與原型復合軌枕相比，結構優化及細部優化復合軌枕均可提高道床橫向阻力，最高可達20%，能基本達到Ⅲ型混凝土軌枕道床橫向阻力。

(3)綜合考慮生產、維修、成本等因素，本文推薦采用B2型細部優化復合軌枕。