30 t軸重重載鐵路有砟軌道道床結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

郄錄朝

(中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

從國際重載鐵路的發(fā)展看，重載鐵路運輸一般均通過增加車輛軸重和擴大列車編組數(shù)量提高運輸能力和運輸效率[1-2]。由于重載列車重量和長度增加，機車和車輛軸重提高，大幅增加了作用于線路上的荷載，軌道結(jié)構(gòu)的破壞特性較一般傳統(tǒng)線路更為顯著[3]，對軌道結(jié)構(gòu)和線下基礎(chǔ)設(shè)施提出了更高要求。道床作為軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是軌道框架的基礎(chǔ)。道床提供軌道的縱橫向阻力，保持軌道的穩(wěn)定性；提供軌道的彈性，減緩和吸收輪軌的沖擊和振動；提供良好的排水性能。若道床設(shè)計不合理，易引起路基和道床的病害，以及鋼軌、軌枕、扣件等部件的傷損，縮短軌道部件使用壽命，增加養(yǎng)護維修工作量[4-5]。因此，重載鐵路道床的設(shè)計十分重要。

1 道床結(jié)構(gòu)形式

鐵路碎石道床在結(jié)構(gòu)上分為雙層道床和單層道床。在我國，雙層道床主要鋪設(shè)在非滲水土路基地段，單層道床鋪設(shè)于巖石、滲水土路基地段[6]。

雙層碎石道床結(jié)構(gòu)是將道床分為碎石面砟層和由砂、礫組成的道床墊砟層。雙層碎石道床結(jié)構(gòu)的具體鋪設(shè)形式又分為底砟覆蓋式雙層道床結(jié)構(gòu)和底砟滿鋪式雙層道床結(jié)構(gòu)(見圖1(a)、圖1(b))。底砟覆蓋式雙層道床結(jié)構(gòu)是底砟層被上面的碎石道砟層所覆蓋，路基肩部不鋪底砟，故其路肩頂面的高度比底砟層表面高度相差一個底砟層厚度。底砟滿鋪式雙層道床結(jié)構(gòu)是將墊砟材料鋪滿整個路基表面，此時的路肩頂面即為底砟層表面。

單層碎石道床結(jié)構(gòu)是指碎石道砟直接鋪在巖石路基或滲水路基表面，不含底砟層。典型的單層道床結(jié)構(gòu)見圖1(c)。

圖1 道床結(jié)構(gòu)(單位：cm)

近年來我國鐵路建設(shè)高速發(fā)展，路基結(jié)構(gòu)與以往有了很大不同。在道床結(jié)構(gòu)的選擇上要和路基設(shè)計綜合考慮，當(dāng)路基基床采用承載能力較低的材料時，為了保證傳遞到基床表面的應(yīng)力滿足要求則需要較厚的道床，宜采用雙層道床結(jié)構(gòu);當(dāng)路基使用了承載能力較高的級配碎石作為基床表層時，宜按單層道床設(shè)計。

2 道床斷面設(shè)計

重載鐵路道床斷面設(shè)計以滿足道床的功能為目的。道床功能：①要有足夠的厚度，使軌枕荷載通過道床的擴散，達到基床表面的應(yīng)力在容許限度之內(nèi)，同時還要提供必要的彈性及允許臟污的能力，保證與重載運輸相匹配的維修工作量；②要有足夠的平面尺寸，提供足夠的縱橫向阻力，以保持軌道結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。為滿足上述要求，決定道床斷面的要素是道床厚度、道床肩部形式與尺寸和道床邊坡[7]。

2.1 道床厚度

2.1.1 道床厚度確定原則

確定道床厚度時，通常要考慮道床彈性、道床臟污增長率、路基面承載能力3個因素。

1)道床彈性

道床彈性是指道床密實并形成散粒體骨架之后，由道床顆粒之間的接觸彈性變形所決定的彈性性能。良好的彈性可保證軌道結(jié)構(gòu)受力均勻、行車平穩(wěn)，在荷載的作用下不會產(chǎn)生過大的殘余變形。

整個道床層的彈性壓縮等于各層道砟顆粒的彈性壓縮之和[7]，用公式表示為

(1)

式中：Y0/2為枕底到表層顆粒中心范圍內(nèi)的彈性壓縮；YCP為各層顆粒中心距縮短量的平均值；h為碎石道床厚度；d為道砟顆粒直徑；a為考慮實際道砟粒徑、形狀、級配時可能出現(xiàn)的尖點接觸及顆粒受彎而引入的彈性變形增長系數(shù)，該系數(shù)可取4～5。

道床的彈性與道床厚度成正比，保證必要的道床彈性必須要求有足夠的道床厚度?，F(xiàn)場實測道床剛度結(jié)果表明，普通路基地段道床厚度在25 cm以上時即可提供足夠的彈性，而在石質(zhì)路基、橋隧等剛性基礎(chǔ)地段，由于基礎(chǔ)彈性差則需要更厚的道床來保證軌道的整體彈性。

2)道床臟污增長率

道床厚度降低，道床的彈性變差，列車荷載對道床的沖擊作用會增大。在相同的運營條件下道砟的粉碎、臟污加速，導(dǎo)致日常維修工作量加大，道床厚度降低，道床內(nèi)的絕對孔隙減小，清篩周期也會大大縮短[8]。根據(jù)我國重載鐵路現(xiàn)場測試結(jié)果[9]，在相同的運營條件下通過總重20 Mt、道床厚度30 cm時道床臟污率增長5.3%，道床厚度35 cm時道床臟污率增長1.4%。因此，為使軌道維修工作量控制在適當(dāng)限度之內(nèi)，必須要有足夠的道床厚度。

3)路基面承載能力

路基面的工作應(yīng)力除與軌枕壓力有關(guān)之外，主要取決于道床的厚度。為保證路基面的強度要求，通常把增加道床厚度作為降低路基面應(yīng)力的方法。

TB 2034—88《鐵路軌道強度檢算法》規(guī)定[10]，道床頂面壓應(yīng)力σz計算公式為

(2)

道床頂面壓力在道床中按擴散角ψ向下傳遞(見圖2)，不同道床厚度時基床表面壓應(yīng)力σL按下式計算。

(3)

圖2 道床應(yīng)力擴散圖

2.1.2 道床頂面應(yīng)力檢算

我國重載鐵路道床頂面和基床表面應(yīng)力相關(guān)計算參數(shù)見表1，道床頂面應(yīng)力計算結(jié)果見表2。

表1 重載鐵路道床計算相關(guān)參數(shù)

表2 道床頂面應(yīng)力

由表2可見：當(dāng)軸重30 t時，無論采用Ⅲ型枕還是新型重載軌枕，道床頂面應(yīng)力均未超過TB 2034—88規(guī)定的碎石道床頂面容許應(yīng)力0.5 MPa，但相比25 t軸重運營條件下，道床頂面應(yīng)力增加了約20%，道砟在此種運輸條件下破碎和粉化將加快，養(yǎng)護維修工作量增大。因此30 t軸重重載鐵路道床，在有條件時應(yīng)優(yōu)先選用特級材質(zhì)的道砟，以提高道床耐久性，滿足重載運輸要求，減少養(yǎng)護維修工作量。

2.1.3 道床厚度的計算分析

根據(jù)道床彈性及道床臟污率的要求，可取道床最小厚度300 mm，最大厚度500 mm，分別按單層道床和雙層道床進行30 t軸重荷載作用計算分析。不同道床厚度時道砟層底部應(yīng)力計算值見表3、表4。

表3 單層道床道砟層底部應(yīng)力 MPa

表4 雙層道床面砟層底部應(yīng)力 MPa

按TB 2034—88的規(guī)定，新建線路路基面的容許應(yīng)力為0.13 MPa。在雙層道床結(jié)構(gòu)中底砟層是作為道床的一部分一起考慮，底砟層厚度為200 mm時道砟層厚度為300 mm已滿足要求。單層道床厚度達到500 mm時方可滿足要求。因此，在采用單層道床結(jié)構(gòu)時，如果要降低道床的厚度，必須采用承載能力更高的級配碎石作為基床表層。

綜合考慮道床彈性、路基的容許應(yīng)力以及養(yǎng)護維修工作量的匹配，建議我國30 t軸重重載鐵路采用雙層道床時，底層道床厚度取200 mm，表層道床厚度取350 mm;采用單層道床時若道床厚度取350 mm，則須采用特級材質(zhì)道砟，以增強道床承載力。

2.2 道床肩部形式及尺寸

2.2.1 道床肩部形式及尺寸對軌道垂向穩(wěn)定性的影響

道床肩部平衡條件如圖3所示。鋼軌中心線至軌枕端頭的長度bp范圍內(nèi)，軌枕作用到道床棱體Ⅰ上的壓力為P，使得棱體Ⅰ沿滑動面EF向下滑動，并將棱體Ⅱ側(cè)向擠出。

圖3 道床肩部平衡條件示意

根據(jù)朗肯被動土壓力理論，EF滑動面和FG滑動面與軌枕底面和枕端面的夾角均為π/4+φ/2，要阻止棱體Ⅱ的滑動(即道床肩部的破壞)，則要求棱體Ⅱ通過枕端垂直面作用到棱體Ⅰ上的被動壓力Hn與通過枕端垂直作用到棱體Ⅱ上的主動壓力Ha平衡。其極限平衡條件為

(4)

式中：P為軌枕懸出部分(自鋼軌中心線至枕端面)枕底作用到道床頂面的壓力;Q1為軌枕懸出部分以下的道床主動棱體Ⅰ的重量;Q2為道床肩部被動棱體Ⅱ的重量；C1為道床主動棱體Ⅰ滑動面上的位移阻力；C2為道床被動棱體Ⅱ滑動面上的位移阻力；φ為散粒體道床的內(nèi)摩擦角。

由式(4)可知，在軌枕長度和道砟料給定的情況下，Q1,C1，C2，φ均為定值，唯一能提高P值的方法是增加道床肩部被動棱體Ⅱ的重量Q2值。增加道床肩寬及減緩道床邊坡都對增大Q2值有利，但這將導(dǎo)致道砟用量的增加及路基面寬度的增加，增大工程投資。而增加砟肩堆高，不但可以增大Q2值，還不影響路基面的寬度，是一種經(jīng)濟有效的方案。

2.2.2 道床肩部形式及尺寸對軌枕橫向阻力的影響

道床肩部形式及尺寸對軌枕橫向阻力的影響主要表現(xiàn)在砟肩寬度和砟肩堆高。當(dāng)軌枕承受橫向阻力而產(chǎn)生橫向位移時，枕端道床破壞面如圖4所示。

圖4 枕端道床破壞面示意

根據(jù)朗肯被動土壓力理論，道床肩部破壞時，其破裂面BC與軌枕端面的夾角為π/4+φ/2，由三角形ABC可求得滑動道床棱體的寬度bt為

(5)

式中,hs為軌枕埋入道床的深度(重載Ⅳ型軌枕埋深約為195 mm)。

φ取35°,則bt=195×tg(45°+17.5°)=375 mm?？梢?，當(dāng)?shù)来布鐚挸^375 mm時，過多加大道床肩寬對提高軌枕端部所提供的軌枕橫向阻力效果不明顯。

為分析不同道床肩寬對軌枕橫向阻力的影響，在高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室鋪設(shè)了重載Ⅳ型軌枕實尺模型軌道進行試驗，測試結(jié)果見表5。可見，道床肩寬由300 mm增加到500 mm，軌枕橫向阻力增加24%，當(dāng)增大到500 mm以后軌枕橫向阻力增大得不明顯。

表5 不同砟肩寬度時Ⅳ型軌枕的橫向阻力

針對重載Ⅳ型軌枕，在室內(nèi)實尺模型進行了不同砟肩堆高對軌枕橫向阻力影響的試驗，測試結(jié)果見表6。道床肩寬400 mm時，增加堆高150 mm，軌枕橫向阻力增加10%。

表6 砟肩堆高對Ⅳ型軌枕橫向阻力的影響

綜合理論計算及室內(nèi)試驗結(jié)果，建議我國重載鐵路道床肩寬采用500 mm，砟肩堆高采用150 mm。

2.3 道床邊坡

世界各國鐵路所采用的道床邊坡變化很大。在普速鐵路上，前蘇聯(lián)、法國、英國為1∶1.5，我國為1∶1.75，美國為1∶2；在重載鐵路上，澳大利亞、俄羅斯，瑞典為1∶1.5，我國大秦線為1∶1.75，美國為1∶2[7]。我國鐵路道床邊坡均采用1∶1.75，并有比較滿意的使用效果，與國外重載鐵路相比取值處于中間，建議在今后的重載線路上仍采用1∶1.75的道床邊坡。

2.4 道床結(jié)構(gòu)斷面

考慮到線下基礎(chǔ)的設(shè)計，提出我國一般路基段2種30 t軸重重載鐵路有砟軌道道床結(jié)構(gòu)斷面，如圖5所示。

圖5 重載鐵路有砟軌道路基段道床結(jié)構(gòu)(單位：m)

3 30 t軸重荷載作用下道床實車試驗

為驗證提出的道床結(jié)構(gòu)性能，按提出的道床參數(shù)在瓦日線鋪設(shè)了重載鐵路道床結(jié)構(gòu)試驗段。道床采用雙層道床，道床厚度為350 mm+200 mm，道床肩寬500 mm，砟肩堆高150 mm，軌枕采用Ⅳ型軌枕，鋼軌為75 kg/m鋼軌。為便于對比分析在瓦日線既有道床結(jié)構(gòu)(道床厚度300 mm+200 mm)同樣布置了測點進行測試[11]。

3.1 安全性分析

1)大軸重貨車通過重載道床結(jié)構(gòu)測點時，測得的脫軌系數(shù)最大值為0.27,輪重減載率最大值為0.21,輪軸橫向力最大值為37.1 kN。脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力均小于安全評判值。

2)在實車試驗前，對新型重載Ⅳ型軌枕進行了單根軌枕橫向阻力測試，測試結(jié)果見表7?？梢娖錆M足無縫線路穩(wěn)定性所需的12 kN/枕的要求。

表7 重載Ⅳ型軌枕橫向阻力測試結(jié)果 kN

3.2 不同道床厚度軌道結(jié)構(gòu)受力分析

30 t軸重試驗列車(1.2萬t)通過時，實測垂直力、支點壓力、道床底面應(yīng)力分別見表8—表10。

表8 試驗列車車輛通過時的垂直力 kN

表9 試驗列車車輛通過時的支點壓力 kN

表10 試驗列車通過時道床底面的應(yīng)力 kPa

對垂直力和支點壓力取總體平均值予以對比，見圖6?？梢?，2種軌道結(jié)構(gòu)實測垂直力和支點壓力無明顯區(qū)別，分配系數(shù)基本相當(dāng)。

圖6 垂直力和支點壓力對比

對道床應(yīng)力取總體平均值予以對比。其中既有軌道結(jié)構(gòu)道床厚300 mm，新型軌道結(jié)構(gòu)道床厚350 mm。道床底面應(yīng)力既有軌道結(jié)構(gòu)為206.4 kPa，新型軌道結(jié)構(gòu)為126.2 kPa，道床厚度采用350 mm相比道床厚度300 mm可降低道床底面應(yīng)力38.8%,效果明顯。

4 結(jié)論與建議

1)基于基床表層的設(shè)計，提出了30 t軸重重載鐵路2種道床結(jié)構(gòu)。當(dāng)路基采用傳統(tǒng)的設(shè)計或基床表層采用承載能力較低的填料時，道床結(jié)構(gòu)應(yīng)采用雙層道床結(jié)構(gòu)；當(dāng)路基基床表層采用承載能力較高的級配碎石時，道床可設(shè)計為單層道床結(jié)構(gòu)。

2)根據(jù)理論計算和室內(nèi)試驗結(jié)果，提出了我國30 t 軸重重載鐵路道床斷面關(guān)鍵參數(shù)：道床厚度采用350 mm，砟肩寬度500 mm，砟肩堆高150 mm，道床邊坡1∶1.75。

3)針對提出的道床結(jié)構(gòu)鋪設(shè)了現(xiàn)場試驗段，開展了30 t軸重列車實車試驗。試驗結(jié)果表明，提出的道床結(jié)構(gòu)可滿足列車運營的安全性，能夠保證無縫線路穩(wěn)定性所需的橫向阻力，可大大降低道床底面的應(yīng)力，保護基床不受破壞。

4)建議后期加強對鋪設(shè)的重載鐵路道床試驗段的觀測，分析其在30 t軸重列車長期荷載作用下的變化規(guī)律及養(yǎng)護維修工作量，并根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況對道床斷面設(shè)計進行改進。