米轨混凝土轨枕与钢枕道床阻力研究

蔡元辉 张沐然 韩义涛 熊维 韦凯

1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031；2.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031

米轨铁路造价低，占地少，可通过曲线半径小，是未来建设复杂艰险山区铁路的良好选择［1］。米轨轨枕作为维持轨道框架整体稳定性的重要部件，其道床纵向、横向阻力是大坡道地段和小半径曲线区段抵抗轨排结构位移的基础，对线路安全运营至关重要。

杨宝峰等［2］围绕铁路轨枕的发展及应用展开调研，对各种轨枕（木枕、混凝土轨枕和钢枕）进行了优缺点分析，结果表明混凝土轨枕和钢枕均具有承受荷载大、保持轨距稳、道床阻力大等优点，对保持轨道框架的稳定性极为有利。国内学者对适用于标准轨距的Ⅱ型、Ⅲ型混凝土轨枕的道床阻力开展了大量试验研究，部分成果纳入了无缝线路相关设计规范。杨艳丽［3］通过现场原位测试和数理统计分析，拟定了Ⅲ型混凝土轨枕有砟道床纵向、横向阻力曲线。井国庆等［4］试验研究了一种梯形轨枕横向阻力的构成，并确定各部分阻力的比例。

对适用于米轨铁路的轨枕，国内尚未开展理论和试验研究。对于结构形式和受力特点与混凝土轨枕差异巨大的钢枕，尚无相关阻力参数或设计规范。因此，本文以我国西部山区一在建旅游米轨铁路工程为背景，对米轨混凝土轨枕和钢枕开展道床阻力试验研究，以期指导米轨铁路无缝线路的设计与建设。

1 试验准备

该米轨铁路采用有砟轨道，全线铺设无缝线路，计划采用混凝土轨枕或钢枕。由于线路运行于存在众多大坡道、小半径地段的艰险山区，因此轨道结构将会承受较大的纵向、横向力，对轨道结构稳定性带来巨大挑战。

试验轨道部件：扣件采用弹条Ⅰ型扣件；轨枕选用米轨专用的混凝土轨枕和钢枕，轨枕间距0.6 m；采用50 kg/m钢轨；道砟级配符合我国一级道砟级配要求［5］，在试验开始前利用道砟振捣器振捣密实［6］。

有砟道床尺寸参数［7］：道床边坡坡度为1∶1.75，道床厚0.3 m，道床顶面宽3.0 m，砟肩堆高0.15 m。

米轨铁路的轨枕结构形式不同于普通有砟道床，其混凝土轨枕和钢枕质量分别为230、56 kg，长度均为2 m。由于结构形式不同，两种轨枕提供道床阻力的方式有较大差距。混凝土轨枕的道床阻力主要包括底面和两个侧面的摩擦力以及轨枕端部道砟抗剪提供的阻力。钢枕的道床阻力主要包括两个外侧面的摩擦力、钢枕内部及端部道砟抗剪提供的阻力。

试验前，在室内铺设米轨有砟道床。由于道床密实度会对道床阻力测试产生影响，为了使道床尽可能密实，进行分层铺设。共分三层铺设，每一层夯实后再铺设下一层。

道床厚度达到要求后进行轨枕安装。对于待测轨枕，不安装扣件和轨下垫板，保证测试的阻力完全由轨枕产生，确保试验的准确性。轨枕和钢轨安装完成后，采用振捣器对道床进行最后的夯实处理，确保道床达到足够的密实度。

2 试验内容

2.1 试验方法

通过原位测试法测试单根轨枕的道床阻力。试验场地共铺设了5根轨枕，测试时撤去中间轨枕的扣件系统，将其作为待测轨枕。

为了保证试验准确性，阻力测试时使用两个位移计，分别放置在待测轨枕的两侧，取两表读数的平均值作为轨枕的位移。为了使数据反映足够真实的道床阻力，加载时每产生0.1 mm位移就记录一次数据。

道床纵向阻力测试时，由于米轨混凝土轨枕表面并不是垂直的，为使千斤顶垂直推动轨枕，设计了与米轨混凝土轨枕表面贴合的楔形块来辅助测试，如图1（a）所示。由于米轨钢枕表面不规则，难以均匀施加荷载，因此利用外部反力墙提供反力，同时利用外界装置来提供加载反力，如图1（b）所示。

图1 道床纵向阻力测试

道床横向阻力测试时，对于米轨混凝土轨枕，用设计的装置与测试轨枕扣件部位的螺栓贴合，将千斤顶推力施加到钢轨上，利用钢轨提供横向支反力，如图2（a）所示。对于米轨钢枕，由于钢枕全部埋于道砟中，没有合适的加载点，通过高强焊接加工一个平整的加载装置，如图2（b）所示。

图2 道床横向阻力测试

2.2 试验步骤

1）拆除待测轨枕的扣件。

2）安装道床阻力测试试验工装。对于道床纵向阻力测试，在待测轨枕与提供反力的相邻轨枕中部安装楔形试验工装，使千斤顶施加的荷载与轨枕保持垂直；对于道床横向阻力测试，利用轨枕上的道钉或高强焊接块使工装与轨枕保持紧密连接。

3）安装液压千斤顶。安装过程中保持与接触面和反力架垂直，保证施加力的准确。

4）将两个位移计分别放置在待测轨枕的两侧。

5）千斤顶在加力时保持平稳加压，分级加载，在每级加载完成后读取并记录百分表所显示的轨枕位移。每发生0.1 mm位移记录一次数据。

3 试验结果及数据分析

3.1 道床纵向阻力

有砟道床是散粒体结构，测试得到的道床阻力具有离散性。米轨混凝土轨枕和钢枕的道床纵向阻力-位移测试结果见图3。出于对取值安全性的考虑，对测得的有效道床纵向阻力求平均值，然后用平均值减去2.5倍标准差［8］得到统计学概念中的最小可能值，将该值作为米轨混凝土轨枕和钢枕道床纵向阻力的设计值。经过计算可得，当轨枕纵向位移2 mm时，米轨混凝土轨枕和钢枕的道床纵向阻力设计值分别为9.67、8.31 kN，米轨钢枕道床纵向阻力设计值比混凝土轨枕低14.1%。

图3 米轨道床纵向阻力-位移测试结果（散点）

根据TB 10015—2012《铁路无缝线路设计规范》，轨枕道床阻力曲线是一个幂指函数曲线。通过MATLAB软件编程，将试验测得的米轨混凝土轨枕和钢枕的道床纵向阻力最小可能值进行最小二乘拟合［3］，得到米轨道床纵向阻力-位移曲线（图4），其拟合公式为

图4 米轨轨枕纵向阻力-位移拟合曲线

式中：RZC、RZS分别为米轨混凝土轨枕、钢枕道床纵向阻力，kN/枕；y为轨枕纵向位移，mm。

3.2 道床横向阻力

米轨混凝土轨枕和钢枕道床横向阻力-位移测试结果见图5。经过计算可得，当轨枕横向位移2 mm时，米轨混凝土轨枕和钢枕的道床横向阻力设计值分别为5.27、4.98 kN，米轨钢枕道床横向阻力设计值比混凝土轨枕低5.5%。试验所得到的道床横向阻力均大于相应的设计值，说明以最小可能值作为道床阻力设计参考值安全可靠。

图5 米轨道床横向阻力-位移测试结果（散点）

与道床纵向阻力拟合方法一样，拟合得到道床横向分布阻力-位移曲线，其拟合公式为

式中：RHC、RHS分别为米轨混凝土轨枕、钢枕道床横向分布阻力，kN/枕；xH为道床横向位移，mm。

工程中，有砟道床横向阻力通常采用轨排沿线路方向的单位长度横向分布阻力来进行评估。对式（3）、式（4）进行单位换算，换算后的拟合曲线见图6，拟合公式为式中：qC、qS分别为米轨混凝土轨枕、钢枕道床横向分布阻力，N/cm；x为道床横向位移，cm。

图6 米轨轨枕横向分布阻力-位移拟合曲线

根据TB 10015—2012，用轨枕横向移动2 mm时的等效道床分布阻力来评判轨枕抵抗横向滑移能力，表达式为

式中：Q为等效道床横向分布阻力，N/cm；q0为初始道床横向阻力，N/cm；B、C、Z、N均为道床横向阻力系数。

对于米轨混凝土轨枕和钢枕，其道床横向分布阻力参数见表1。

表1 米轨道床横向分布阻力参数

计算得到米轨钢枕、混凝土轨枕的等效道床分布阻力分别为74.1、77.4 N/cm，钢枕的等效道床分布阻力比混凝土轨枕仅低4.3%，相差不大，这在实际工程中是可以接受的。

在重量相差较大的情况下，米轨钢枕的各项道床阻力都接近混凝土轨枕，初步分析是钢枕枕心处的道砟与下部道砟的剪切作用提供了大量的阻力所致。钢枕重量较小，安装和养护方便且承载能力强，在两种轨枕都满足阻力要求的情况下，建议优先选择钢枕。

4 结论及建议

1）位移为2 mm时，米轨混凝土轨枕和钢枕的道床纵向阻力设计值分别为9.67、8.31 kN，道床横向阻力设计值分别为5.27、4.98 kN，等效道床分布阻力分别为77.4、74.1 N/cm。米轨钢枕道床纵向、横向阻力设计值、等效道床分布阻力分别比混凝土轨枕低14.1%、5.5%、4.3%。

2）米轨钢枕的重量仅为混凝土轨枕的1/4，二者道床阻力却相差不大。钢枕安装、养护方便且承载能力强，在满足阻力要求的前提下，建议优先选择钢枕。

本文的试验结果可为米轨铁路轨枕的选型及结构设计提供参考，为形成完善的理论体系及设计标准提供理论与试验基础。在今后的研究中，可深入研究钢枕道床阻力的构成及分担比例，并对钢枕结构进行针对性优化设计以提高其道床阻力。