枕间道砟对道床纵横向阻力影响试验研究

井国庆，王新雨，周 强，蔡小培

(北京交通大学 土木建筑工程学院， 北京 100044)

道床纵横向阻力是列车安全、平稳舒适运行的必要条件，一直以来是轨道工程研究重点内容之一[1]。道床纵横向阻力与轨枕、道砟散体和道床断面有关[2]。近年来，随着我国重载和高速铁路建设，对于轨道结构安全和稳定性提出更全面要求，比如安全性与稳定性之间平衡问题。随列车车速增加，道砟受高速风压及道床振动影响，容易产生飞溅，对列车车体及轨道结构造成损害[3]。因此，我国TG/GW 116—2013《高速铁路有砟轨道线路维修规则》(试行)[4]和TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[5]规定需要优化有砟道床断面、降低枕间道砟高度及砟肩高度，如前者规定将速度为250～300 km/h道床断面砟肩堆高，由通常情况下150 mm降为100 mm，并适当降低枕间道床与轨枕上表面高差，当速度为200～250 km/h时，道床顶面在轨枕承轨面以下30～40 mm；当速度为250～300 km/h时，道床顶面在轨枕承轨面以下40～50 mm[4]。同时可以进一步推断，随着列车速度提高，道床顶面，尤其是枕间道砟位置与轨枕承轨面高差会增加，然而枕间道砟不饱满，均会一定程度上降低道床纵横向阻力值。与此同时，需要指出的是随着速度提高，无缝线路需要更高道床阻力，如济青高铁、京张高铁、北盘江大桥都采用了聚氨酯道床方案。高速有砟道床参数见表1[4]。

表1 道床主要状态参数指标

国内外相关学者对枕间道砟与道床阻力关系开展了一些相关研究。研究结果表明，枕间道砟通过与轨枕侧面的摩擦，提供10%～15%的道床横向阻力[6]。文献[7]则显示枕间道砟对纵向阻力的分担约为58.7%。枕间道砟饱满将使道床横向阻力显著增大，有利于无缝线路稳定性[8]。枕间道砟除了影响道床横向阻力外，也影响道床纵向阻力。

综上所述，我国缺乏现有规范条件下枕间道砟饱满程度对道床纵横向阻力试验和研究，使得在高速有砟铁路道床断面选型时缺少依据，存在一定安全隐患，导致飞砟防治措施过度或者无缝线路失稳[1]。本文综合考虑飞砟防治和无缝线路稳定需求，基于试验研究枕间道床饱满程度对铁路有砟道床纵横向阻力影响、分担，同时提供在枕间道砟缺失条件下，增强纵横向阻力方法与结构，为高速铁路有砟道床设计提供相应理论和试验支持。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本试验有砟轨道试验平台全长20 m，厚度为350 mm，边坡坡度为1∶1.75，砟肩宽度为500 mm，严格按照高速铁路有砟道床材质和断面进行铺设。采用Ⅲ型混凝土枕，轨枕间距600 mm，枕间道砟高度及砟肩形状由工况决定。试验场选用的道砟级配符合我国TB 2140—2008《铁路碎石道砟》[9]中关于高速铁路特级道砟的规定，材料为玄武岩。在铺设过程中，为了保证道床密实，采用电动平板夯实机对道床进行分层夯实。将350 mm厚的道床共分为三层，每一层铺设完成后都进行夯实。在放置轨枕之后，对轨枕周围道砟也都采用三层分层夯实方法。为了保证各种工况密实度相同，所有工况都采用相同夯实方法。

1.2 试验工况

本文研究枕间道砟高度对Ⅲ型轨枕纵向阻力和横向阻力的影响，对各种工况下的测试数据进行对比。为了保证结果对比有效，根据我国TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[5]，将工况1—工况8的砟肩宽度定为500 mm，砟肩堆高定为150 mm。同时，为了计算得到纵向阻力分担情况，工况9不设置砟肩。工况设置见表2。

表2 试验工况

1.3 道床阻力试验

本次试验采用分级加载方式，对每种工况进行3次试验，3组试验结果的平均值为最终结果，各工况均取位移为2 mm时对应的阻力值作为道床阻力。每种工况测试完成后，对道床进行整形、捣固以及夯实，再进行后续试验。本次试验用到的仪器有：自制反力架，液压千斤顶(10 t)，压力传感器(轮辐式)，千分表(量程为30 mm)，应变调理仪(INV861A型)，数据采集仪(INV3018A型)等。

2 结果与分析

2.1 横向阻力分担

对普通条形轨枕来说，道床的横向阻力主要由3部分组成。本文分别通过3组道床横向阻力试验取均值，研究阻力分担。试验轨枕横向阻力分担情况见图1。由图1可知：轨枕底面提供横向阻力值约占总体47%～52%；轨枕侧面与枕间道砟摩擦约占总体10%～13%；而轨枕端部道砟因抗剪而产生的横向阻力值约为34%～38%，本试验结果与相关研究成果具有一致性[6]。

图1 轨枕横部位向阻力分担

2.2 枕间道砟对横向阻力影响

阻力随位移增大而增大，也随着枕间道砟饱满度增大而增大。枕间道砟高差对横向阻力影响见图2。由图2可见，各工况下阻力位移曲线并未出现明显峰值，但也没有出现峰值软化情况。相比枕间道砟饱满工况，枕间道砟高度降低50 mm时横向阻力减少了0.61 kN，即6.0%左右；枕间道砟高度降低100 mm时，横向阻力减少了1.08 kN，约11.0%；而枕间无道砟工况，横向阻力相比枕间道砟饱满时减少了1.31 kN，即13.0%左右。由此可知，枕间道砟饱满度对道床横向阻力有一定影响，防治飞砟技术措施降低枕间道砟饱满度后引起道床阻力降低，需要引起注意，必要时宜采取措施提升道床阻力。

图2 枕间道砟高差对横向阻力的影响

2.3 纵向阻力分担

与横向阻力构成类似，轨枕的纵向阻力也可以分为三个组成部分。首先是由底部道砟与轨枕底部剪切摩擦产生纵向阻力，其次是枕间道砟与轨枕剪切作用产生的纵向阻力，最后是砟肩与轨枕两端剪切产生纵向阻力，见图3。

图3 轨枕纵向阻力构成示意图

工况5得到的纵向阻力值为总值，即由轨枕底部道砟、枕间道砟以及砟肩道砟三部分提供的纵向阻力。工况8所得的纵向阻力为轨枕底部与砟肩两部分提供阻力。工况9测得纵向阻力为轨枕底面提供阻力。工况8和工况9测得纵向阻力之差即为砟肩阻力，工况5和工况8测得纵向阻力之差即为枕间道砟阻力，由此可得到3部分道床纵向阻力值及在总值中所占的比例，以上试验分别进行三次取平均值。结果见表3。由表3可见，纵向阻力主要由枕间道砟提供为70%，其次为轨枕底部为25%，最后为砟肩为5%。

表3 纵向阻力分担

2.4 枕间道砟对纵向阻力影响

相比枕间饱满工况，枕间道砟降低50 mm时，纵向阻力降少了3.11 kN为25.6%；枕间道砟降低100 mm时纵向阻力减少了7.17 kN为59.0%；而枕间无道砟时，减少了8.41 kN为69.3%。枕间道砟高差对横向阻力影响见图4。由图4可知：枕间道砟饱满度对道床纵向阻力影响显著。

图4 枕间道砟高差对纵向阻力的影响

3 增强方案

随着高速铁路和重载铁路发展，有砟道床必须在防止或者降低飞砟病害前提下，提供足够道床纵横向阻力，需要指出的是，重载铁路小曲线半径更容易失稳，对道床阻力指标要求更高。TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[5]和TG/GW 116-2013《高速铁路有砟轨道线路维修规则》[4](试行)均规定，防治飞砟需要相应地降低枕间道砟高度，导致道床纵横向阻力降低。为了保证在降低道床枕间道砟饱满度情况下道床纵横向阻力，需要采取一定措施进行加强，本文总结了以下四种解决措施。

3.1 局部喷涂聚氨酯

相关研究表明[3]，在不影响捣固维修前提下，采用道床局部喷涂聚氨酯后，道床纵向阻力增加了6.31%～15.60%，道床横向阻力增加了8.70%～17.14%，进而可以相应降低砟心道砟，降低飞砟几率和风险。文献[10]表明在道床全断面喷涂道砟胶，可以提高纵向阻力8.5倍，提高横向阻力17.4倍。

3.2 新型轨枕设计

通过对轨枕进行结构的优化也可以增强道床阻力，包括异型轨枕和摩擦型轨枕[11-12]。使用异型轨枕如在轨枕两侧设置翼部，可以提高道床横向阻力约29.4%[11]。使用摩擦型轨枕如在轨底设置波浪形纹理，可以增加64%横向阻力[12]。同时，还有可以使用长钉固定的轨枕等，对道床纵横向阻力提升也有显著效果[13]。

3.3 轨枕附加装置

通过对轨枕增加一些简单装置可提升道床阻力。如在轨枕的两侧和中心加装挡板，既便于安装和维修替换，又能有效地提升道床横向阻力，对道床扰动也较小[14-15]，挡板的外形见图5。

图5 轨枕挡板[14]

3.4 枕间道床夯实装置

瑞士MATISA捣固机械公司提供一枕间道床压实装置，与捣固车安装在一起，捣固前枕同时进行压实已经捣固后枕，捣固维修后道床横向阻力增加了30%以上，如果同时采用砟肩压实装置，道床横向阻力增加了55%以上，不占用捣固机械额外时间，具体夯实装置见参考文献[16]，枕间道床压实装置作用前后横向阻力对比见图6。

图6 压实作用对横向阻力的影响[16]

4 结论

本文通过试验研究了枕间道砟对道床纵横向阻力机理和影响规律，对高速铁路有砟道床断面设计和规范制订均具有一定参考价值，尤其是在保持无缝线路纵横向阻力条件下，如何有效降低飞砟风险和几率。主要结论如下：

(1) 枕间道砟是道床纵横向阻力重要组成部分，占横向阻力的10%～13%，占纵向阻力的66%～70%。

(2) 枕间道砟顶面与轨枕承轨面高差越大(饱满度越低)，道床纵横向阻力减少越多。如高差为5 cm时，相比枕间道砟饱满的情况，纵横向阻力分别减少了25.6%和6.0%。

(3) 当枕间道砟降低后，宜采取局部喷涂聚氨酯，以及采用新型轨枕或安装附加装置等方案进行道床阻力加强。