鋼棒加強式軌枕道床的縱橫向阻力試驗研究

井國慶 ，王新雨 ，周 強 ，姚 力

（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）

道床阻力對保持軌道幾何形位及確保無縫線路穩(wěn)定十分重要，是有砟道床力學特性重要參數(shù)指標[1]. 橫向阻力可以保證列車行駛過程中的安全性和舒適性，防止無縫線路發(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、防止線路爬行[3]. 道床縱橫向阻力受道砟材質(zhì)、顆粒級配和道床斷面等影響[4].

隨著重載和高速有砟道床發(fā)展以及應用環(huán)境和技術(shù)條件復雜化，針對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，如溫差過大、長大坡道、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來源：首先是列車行駛過程中，車輪施加給鋼軌的摩擦力，包括行駛過程中的力及牽引力和制動力；其次是坡道在軌道上的分力[5]. 而川藏鐵路沿線地質(zhì)條件極為復雜，地勢高低起伏較大，存在很多長大坡道地段[6]. 此時，第二種縱向力會出現(xiàn)較大增長，導致長軌條在變坡點、曲線起訖點與制動地段等出現(xiàn)縱向壓力峰，導致長軌條縱向爬行[5]. 同時，川藏鐵路不同區(qū)域氣溫變化十分明顯，跨區(qū)間無縫線路軌道結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)循環(huán)往復的變化[7]. 而在重復荷載下扣件阻力會出現(xiàn)衰減，甚至造成軌下膠墊竄出，從而影響無縫線路的穩(wěn)定性[8].

目前主要有兩類解決方案提高道床阻力：第一類為道床層增強措施，如使用瀝青道床或膠黏道床.黃長綏等[9]通過瀝青道床現(xiàn)場試驗，在同一路段上測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到50.0 kN 以上. 井國慶等[10]通過在軌枕端部和軌枕中部噴涂聚氨酯，設(shè)計不同固化方案，并進行橫向阻力試驗，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，對搗固維修造成極大影響.

第二類為軌枕層面增強措施，如使用梯形軌枕、摩擦型軌枕或釘子式軌枕、國內(nèi)學者通過現(xiàn)場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道床橫向阻力約64.0%. 國內(nèi)針對梯形軌枕進行試驗[13]，均為平肩式時，梯形軌枕比Ⅲ型混凝土軌枕橫向阻力高約55.0%，但質(zhì)量過大，運輸不便，搗固維修困難. Esmaeili 等[14]提出采用長釘插入式軌枕，用長鋼釘將軌枕釘入有砟道床及路基，并通過試驗測得鋼釘插入式軌枕橫向阻力最多可提高至200.0%，但并未對道床縱向阻力測試，同時其長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、地震帶特殊線路條件，基于中國鐵路標準優(yōu)化鋼棒加強式軌枕，并針對鋼棒加強式軌枕進行試驗研究，研究道床縱橫向阻力特性，比較分析鋼棒加強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與機理，為今后在川藏鐵路以及其他特殊工況應用奠定基礎(chǔ).

1 材料及方法

1.1 道床阻力試驗

本試驗取位移為2 mm 時阻力值為道床阻力，每種工況進行3 次試驗，3 個結(jié)果取平均值作為最終阻力值. 每種工況試驗過程中采用液壓千斤頂分級加載，并通過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 的位移計采集位移信息. 每次試驗完成后對道床整形、搗固以及夯實，再繼續(xù)試驗.

1.2 試驗材料

本試驗所用有砟軌道全長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式混凝土枕，軌枕間距600 mm. 道床所用道砟級配符合我國TB 2140—2008 新建一級道砟標準，材料為花崗巖. 在鋪設(shè)過程中采用電動平板夯實機將道床分層夯實以確保其密實，且所有工況都采用相同夯實方法從而使各種工況下道床密實度相近，此為確保試驗準確的關(guān)鍵操作.

試驗所用鋼棒加強式混凝土軌枕基于我國Ⅲ型混凝土軌枕制造，大體上是在Ⅲ型軌枕的中部對稱位置設(shè)置兩個一定尺寸的孔洞. 具體方法為，當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，然后進行養(yǎng)護. 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400 mm，兩孔洞圓心距離為800 mm. 試驗所用的鋼棒直徑35 mm，表面有網(wǎng)狀螺紋，通過硬質(zhì)填充物固定于軌枕特定位置. 鋼棒加強式軌枕及鋼棒如圖1 所示.

圖1 鋼棒加強式軌枕Fig. 1 Steel rod reinforced sleeper

1.3 試驗工況

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

圖2 測試變量示意Fig. 2 Test variables

表1 試驗工況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；軌枕位移達到1.5 mm 前，橫向阻力增長速度較快；位移達到1.5 mm 后，橫向阻力仍然增大但增大速度變慢；位移達4.0 mm 后，橫向阻力趨于平緩；當軌枕位移為2.0 mm 時，前者橫向阻力比后者高約53.7%.

圖3 道床阻力-位移曲線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；與橫向阻力增長類似，軌枕位移達到2.0 mm前，縱向阻力增長速度較快；位移達到2.0 mm后，縱向阻力仍然增大但增大速度變慢；位移達到4.0 mm后，縱向阻力趨于平緩；當軌枕位移為2.0 mm 時，前者縱向阻力比后者高約39.2%.

2.2 縱橫向阻力分擔

對條形軌枕來說，道床阻力主要由3 部分組成.本文分別通過3 組道床阻力試驗取均值研究鋼棒加強式軌枕阻力分擔，并與相同工況下普通軌枕作對比，見表2.

表2 道床阻力分擔Tab. 2 Resistance contribution

2.3 插入深度

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

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

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

2.4 砟肩寬度

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

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

圖5 肩寬對阻力影響Fig. 5 Influence of shoulder width on resistance

3 結(jié) 論

本文通過設(shè)計、優(yōu)化我國標準Ⅲ型軌枕，通過在軌枕生產(chǎn)過程中于軌枕中部預留孔洞，制作鋼棒加強式軌枕. 開展道床阻力試驗測試，比較普通軌枕及鋼棒加強式軌枕縱橫向阻力，主要結(jié)論如下：

1） 鋼棒加強式軌枕對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） 鋼棒插入深度對軌枕縱橫向阻力有較大影響. 對鋼棒加強式軌枕，鋼棒插入深度由100 mm 變化至400 mm 時，相比于普通混凝土軌枕客貨共線標準斷面，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） 鋼棒加強式軌枕可以提高軌枕底部對道床縱橫向阻力貢獻，進而可降低砟肩堆高和寬度. 因此在長大坡道及小半徑曲線段保證道床阻力前提下，使用鋼棒加強式軌枕可以使斷面更窄，用砟量更少.如當鋼棒加強式軌枕肩寬為300 mm，砟肩堆高0，插入深度400 mm 時，其縱橫向阻力均高于普通條形混凝土軌枕.

鋼棒加強式軌枕能夠顯著增強道床縱橫向阻力，對于提高縱橫向阻力、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，尤其對空間緊湊無縫線路建設(shè)提供了新思路. 本研究結(jié)果對長大坡道鋼軌爬行及脹軌跑道防治具有一定參考價值. 同時，該方法能夠在不影響道床搗固維修前提下加強道床縱橫向阻力.