摩擦型軌枕道床的橫向阻力研究

郭云龍 ，王新雨 ，廉 棟 ，宛洪宇 ，井國慶

（1. 代爾夫特理工大學(xué)土木學(xué)院，代爾夫特 2628CN；2. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；3. 山東高速鐵建裝備有限公司，山東 濰坊 262600）

川藏鐵路有砟軌道建設(shè)過程中會(huì)遇到長大坡道、高烈度、大溫差、半徑小、斷面尺寸受限等挑戰(zhàn)，這對(duì)無縫線路穩(wěn)定性和韌性提出了更高要求. 川藏鐵路無縫線路穩(wěn)定性和韌性問題仍然是一個(gè)值得關(guān)注的問題，更值得關(guān)注的是，受場(chǎng)地條件限制川藏鐵路無法通過增加道床斷面尺寸來增強(qiáng)道床穩(wěn)定性.川藏鐵路大部分地處地震帶區(qū)域，且因地形條件養(yǎng)護(hù)維修困難，同時(shí)面臨地震高發(fā)、晝夜溫差較大等問題. 晝夜溫差大增大了脹軌跑道的可能，因脹軌跑道主要由鋼軌熱脹橫向力超過道床橫向阻力引起. 因此，提高道床橫向阻力且留有一定的橫向阻力冗余可以更好地提高軌道可靠性和安全性.

國內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)提高道床穩(wěn)定性和韌性，尤其是橫向穩(wěn)定性開展了諸多研究[1]. 道床韌性指道床對(duì)于自然災(zāi)害或不可抗力因素的抵抗和恢復(fù)能力，具體反映到無縫線路穩(wěn)定性韌性，指地震、強(qiáng)降雨、大溫差下無縫線路安全冗余與恢復(fù).

傳統(tǒng)提高無縫線路穩(wěn)定性，尤其是道床穩(wěn)定性措施大致分為道床斷面及土工材料改良、密實(shí)道床和優(yōu)化級(jí)配、軌枕結(jié)構(gòu)優(yōu)化[2]. Powrie等[3]研究表明：較大的斷面尺寸可以提供更高的道床橫向阻力，最終達(dá)到極限值便無法繼續(xù)增大. 新型土工材料包括聚氨酯道砟膠、土工格柵、土工格室、廢舊橡膠及軌枕墊[4-6]. 研究表明采用新型土工材料可以很大程度上改善無縫線路軌道穩(wěn)定性[7]：Esveld等[8-9]提出采用土工格柵或土工格室可以增加道床橫向阻力42%，并且可以減少122%的道床沉降；Jing等[2]研究顯示，使用聚氨酯道砟膠噴涂在砟肩可以增加31%道床橫向阻力；軌枕墊和廢舊橡膠可以小幅度增加道床橫向阻力值[2].

密實(shí)道床和優(yōu)化級(jí)配也是針對(duì)道床本身的一種優(yōu)化設(shè)計(jì). 例如，增強(qiáng)枕心飽滿度和密實(shí)度可以增加道床橫向阻力約13%[2]. 新型軌枕包括Y型軌枕、梯形軌枕、翼型軌枕、鋼軌枕、鋼棒插入式軌枕及摩擦型軌枕[10]. 研究表明：使用翼型軌枕可以增加50%道床橫向阻力；使用摩擦型軌枕在70%左右；使用鋼棒插入式軌枕可以增加200%道床橫向阻力[10-11].

諸多方法中，摩擦型軌枕效果較好，并且有著很多優(yōu)點(diǎn)[12]：首先，道床橫向阻力中，枕底提供阻力占較大比例，無列車荷載超過30%，有荷載情況下超過50%[13]，增強(qiáng)枕底摩擦可有效增加道床橫向阻力；其次，摩擦型軌枕生產(chǎn)、安裝較為方便，并且造價(jià)低廉，與普通軌枕相差較小；最后，摩擦型軌枕對(duì)搗固、動(dòng)力穩(wěn)定、清篩、整形等養(yǎng)護(hù)維修影響較小.

針對(duì)摩擦型軌枕研究不僅可以提高川藏鐵路韌性，也可以用于其他既有線特殊區(qū)域改造，如晝夜溫差較大、地震頻繁、重載鐵路以及小半徑曲線等. 然而，針對(duì)摩擦型軌枕試驗(yàn)研究仍不充分，尤其是枕底紋理形式增強(qiáng)效果與影響規(guī)律. 因此，本文研發(fā)箭頭型紋理摩擦型軌枕，該箭頭型摩擦軌枕具有相同的箭頭尺寸、面積、深度，僅僅在箭頭布置方式和方向上不同，目的是研究并確定合理設(shè)計(jì)方案及其應(yīng)用條件. 提出了一種新型增加道床穩(wěn)定性的方式，適用于諸多復(fù)雜條件下的有砟道床（川藏鐵路），為創(chuàng)新軌枕設(shè)計(jì)規(guī)范提供試驗(yàn)支撐.

1 材料及方法

1.1 材料

道床橫向阻力試驗(yàn)是推動(dòng)單根軌枕并得出其位移-力曲線的過程. 試驗(yàn)開展在鋪設(shè)的試驗(yàn)線路上，該線路按照高速鐵路有砟道床標(biāo)準(zhǔn)建造[14]，經(jīng)評(píng)估可用于道床橫向阻力試驗(yàn). 試驗(yàn)線鋪設(shè)Ⅲ型混凝土軌枕，軌枕之間距離約為600 mm，最大道床頂面寬度3 600 mm，最大砟肩寬度為500 mm，最大邊坡坡度1∶1.75，道床厚度約為350 mm. 試驗(yàn)線道砟材質(zhì)為玄武巖，道砟粒徑級(jí)配曲線如圖1所示. 道砟其他各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，確定為一級(jí)道砟[14].

圖1 道砟級(jí)配Fig. 1 Railway ballast particle size distribution

在常用Ⅲ型軌枕模具底部放置箭頭型木塊設(shè)計(jì)制作了3種不同型號(hào)摩擦型軌枕：?jiǎn)蜗蚣^摩擦型軌枕、箭頭內(nèi)括摩擦型軌枕、箭頭外括摩擦型軌枕，如圖2所示. 同時(shí)，箭頭布置位置及箭頭尺寸參數(shù)也在圖中進(jìn)行了解釋說明.

圖2 3種摩擦型軌枕Fig. 2 Three kinds of friction sleepers

摩擦型軌枕底部紋理設(shè)計(jì)目前處于初級(jí)階段，并無相關(guān)規(guī)范可供參考. 在一些論文中可以發(fā)現(xiàn)，摩擦型軌枕橫向阻力和底部紋理形狀、尺寸有著較大關(guān)系[15].

本文中紋理設(shè)計(jì)理念來源于汽車輪胎花紋，通過觀察發(fā)現(xiàn)，大部分汽車輪胎花紋為波浪型，即諸多箭頭形狀連接在一起. 軌枕底面紋理深度為20 mm，并且為內(nèi)嵌紋理，該設(shè)計(jì)主要考慮混凝土軌枕配筋位置，防止配筋下部混凝土受損脫落影響軌枕使用壽命. 同時(shí)，考慮道砟尺寸在20～60 mm之間，多數(shù)集中于40 mm左右，因此箭頭凹槽寬度50 mm可以讓道砟嵌入在軌枕紋理中，極大增加軌枕和道砟之前的接觸面積，從而增大橫向阻力.

該種箭頭型枕底紋理有以下兩方面創(chuàng)新性：1） 箭頭型本身就為新型軌枕底面紋理設(shè)計(jì)，可以最大程度上增加道砟和軌枕間接觸面積；2） 采用內(nèi)部凹陷而并非突起型紋理，可以延長使用周期，并且盡量減少了對(duì)原來普通軌枕的形狀改變.

3種摩擦型軌枕設(shè)計(jì)分別針對(duì)不同應(yīng)用軌道位置：?jiǎn)蜗蚣^摩擦型軌枕可以應(yīng)用于小半徑曲線線路，單向增強(qiáng)道床橫向阻力；箭頭內(nèi)括、外括型軌枕應(yīng)用于普通線路.

1.2 試驗(yàn)工況

為確定不同摩擦型軌枕橫向阻力的增幅情況，即在減小砟肩寬度情況下，摩擦型軌枕是否可以提供足夠橫向阻力. 因此，試驗(yàn)的兩個(gè)變量為軌枕類型及砟肩寬度，試驗(yàn)工況如表1所示. 其中每組工況進(jìn)行3次試驗(yàn)，取3次試驗(yàn)平均值作為每組工況最終結(jié)果.

表1 試驗(yàn)工況Tab. 1 Test conditions

為了精確測(cè)試摩擦型軌枕較一般軌枕增加橫向阻力的大小，試驗(yàn)中測(cè)試了不同道床位置對(duì)橫向阻力的分擔(dān)情況. Kasraei等[12]提出道床橫向阻力由軌枕底部道砟（45% ～50%）、枕心道砟（15%～20%）、砟肩道砟（35%～40%）分擔(dān). 由此可見枕底提供約一半的道床橫向阻力. 因此，試驗(yàn)工況包括了單根軌枕在缺少枕心和砟肩道砟情況下，Ⅲ型軌枕和摩擦型軌枕的橫向阻力情況，也可以精準(zhǔn)確定橫向阻力增大是由于增強(qiáng)了枕底道砟-軌枕相互作用.

工況A2和C4中，采用軌枕類型為單向箭頭軌枕，兩個(gè)方向推動(dòng)單向箭頭軌枕，確定推動(dòng)方向?qū)雾?xiàng)箭頭軌枕道床橫向阻力增幅情況的影響.

1.3 道床橫向阻力試驗(yàn)

道床橫向阻力試驗(yàn)在軌道試驗(yàn)場(chǎng)完成，在已經(jīng)鋪設(shè)好的道床上放置摩擦型軌枕，在軌枕一端用液壓千斤頂提供推力，放置壓力傳感器于千斤頂和軌枕之間測(cè)得推力，并采用數(shù)據(jù)采集儀IMC傳輸數(shù)據(jù)到電腦，如圖3所示. 位移計(jì)放置于軌枕另外一側(cè)，測(cè)得軌枕實(shí)時(shí)位移，最終得到軌枕推力（道床橫向阻力）和相應(yīng)軌枕位移曲線.

圖3中橫向阻力試驗(yàn)儀器及其參數(shù)為：量程10 t行程15 cm的液壓千斤頂、千斤頂反力支架、土力盒壓力傳感器、量程30 mm精度0.01 mm千分表、INV1861A型應(yīng)變調(diào)理儀、INV3018A型IMC數(shù)據(jù)采集儀.

圖3 道床橫向阻力測(cè)試Fig. 3 Transverse resistance test of ballast bed

步驟13根不同類型摩擦型軌枕替換既有線路上的軌枕，然后統(tǒng)一對(duì)試驗(yàn)區(qū)域道砟進(jìn)行搗固、震動(dòng)夯實(shí).

步驟2每根軌枕預(yù)先采用兩根軌枕進(jìn)行預(yù)壓，靜置一晚之后在試驗(yàn)前將預(yù)壓軌枕卸除. 通過這種方式來增強(qiáng)道砟-軌枕間接觸，更接近真實(shí)線路軌枕-道砟接觸情況.

步驟3橫向阻力試驗(yàn)推力分3次加載，每次加載到軌枕位移基本穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行下次加載. 加載到軌枕位移增加而推力基本保持不變時(shí)，停止加載. 連接各散點(diǎn)繪制成連續(xù)曲線，取軌枕位移為2 mm時(shí)的軌枕推力為道床橫向阻力.

2 結(jié)果與分析

2.1 軌枕類型

不同類型軌枕道床橫向阻力如圖4所示，圖中為工況A1～A4的阻力值結(jié)果. 圖中標(biāo)注單向箭頭逆推指：試驗(yàn)過程中試驗(yàn)對(duì)象為單向箭頭軌枕，并且其推動(dòng)方向?yàn)槟嬷^方向，順推即順著箭頭方向推軌枕. 圖中試驗(yàn)工況中砟肩寬度均為50 cm.

圖4 不同軌枕類型橫向阻力Fig. 4 Lateral resistance of different types of sleepers

有砟道床為散體級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)，誤差主要來源于道床整體的孔隙率變化，即道床整體密實(shí)度不同尤其是砟肩部分密實(shí)度差異對(duì)誤差范圍影響較大.試驗(yàn)誤差還來源于軌枕底部和道床的接觸情況，每次試驗(yàn)接觸位置和數(shù)目均有一定變化.

針對(duì)該兩種可能產(chǎn)生誤差的影響因素，采用了3種措施減小誤差：1） 3組試驗(yàn)取平均值；2） 對(duì)砟肩道砟每次采用相同夯實(shí)措施；3） 軌枕上施加相同重物增加枕底道床接觸. 采用如上方式后，每組工況下橫向阻力最大值之間相差小于4.5%，即試驗(yàn)誤差范圍小于4.5%.

圖4中可知：橫向阻力在開始1 mm位移內(nèi)處于急速增長階段，在1 mm和2 mm之間達(dá)到穩(wěn)定，并且阻力值接近于最大值，繼續(xù)推動(dòng)軌枕阻力值增加幅度非常小.

箭頭型摩擦軌枕可以提供高于普通Ⅲ型軌枕的橫向阻力值，高出7%～21%，進(jìn)而增強(qiáng)道床穩(wěn)定性；箭頭內(nèi)括軌枕和箭頭外括軌枕橫向阻力值在各個(gè)位移階段接近，峰值也接近，約為10 kN，內(nèi)括箭頭軌枕和外括箭頭軌枕兩種設(shè)計(jì)取其中一種即可.

因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)有較大區(qū)別，現(xiàn)場(chǎng)道床密實(shí)度要遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)室，因此實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)阻力值通常無法達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范要求：運(yùn)營速度200～250 km/h的鐵路單根軌枕橫向阻力峰值不小于10 kN；運(yùn)營速度250～300 km/h的鐵路單根軌枕橫向阻力峰值不小于12 kN.

現(xiàn)場(chǎng)橫向阻力值遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值，是因?yàn)樵诘来矒v固過后還有動(dòng)力穩(wěn)定過程，且一般現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)軌道已經(jīng)有了很大運(yùn)量. 然而針對(duì)本文采用的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，對(duì)比普通軌枕和摩擦型軌枕橫向阻力增長百分比是具有實(shí)際意義的. 因?yàn)檐壵碜灾厥怯绊戃壵淼撞刻峁M向阻力的主要因素，而且在試驗(yàn)過程中道床密實(shí)度基本保持不變. 因此，本文中提出的研究方法（1.3小節(jié)），即比較枕底阻力所占百分比及枕底橫向阻力對(duì)川藏鐵路建設(shè)實(shí)際應(yīng)用有一定指導(dǎo)意義.

2.2 方向影響

圖4中還展示了單向箭頭摩擦型軌枕在不同推動(dòng)方向下與普通Ⅲ型軌枕橫向阻力對(duì)比情況.

由圖4可以看出：1） 兩個(gè)方向推動(dòng)單向箭頭摩擦型軌枕時(shí)阻力值差異約為20%. 2） 單向箭頭軌枕順推各個(gè)階段阻力和普通Ⅲ型軌枕相仿，最大值高于普通軌枕7%，然而逆著箭頭方向推動(dòng)軌枕可以增加約24%的橫向阻力，即當(dāng)逆推時(shí)，軌枕底紋和嵌入道砟形成更強(qiáng)互鎖，減少相對(duì)滑移，從而提供更高阻力值. 因此，單向箭頭軌枕鋪設(shè)于曲線段順向時(shí)可以保證充足的橫向阻力，逆向也可以提升橫向阻力，充分證明了單向箭頭軌枕有能力應(yīng)用于曲線段.

2.3 枕底道床阻力分擔(dān)比例

3種不同箭頭型摩擦軌枕和Ⅲ型軌枕枕底橫向阻力所占百分比如圖5所示. 由圖中可以看出：除去單向箭頭順推情況，其它摩擦型軌枕枕底橫向阻力所占比例達(dá)43.5%～47.7%，高于普通Ⅲ型軌枕（37.3%）；單向箭頭軌枕在逆推情況下，枕底可以分擔(dān)接近一半的道床阻力，這對(duì)橋上有砟道床等需要減小道床斷面尺寸的特殊地段有著重要的意義.

圖5 枕底橫向阻力分擔(dān)情況Fig. 5 Lateral resistance sharing of bottom ballast

摩擦型軌枕如果實(shí)際應(yīng)用于線路中會(huì)有更高的橫向阻力. 因?yàn)樵趽v固和動(dòng)力穩(wěn)定后，軌枕底部和道床有了更密實(shí)的接觸，嵌入軌枕底部紋理中的道砟更多，枕底和道砟之間的相互作用力更大.

2.4 砟肩寬度

單向箭頭摩擦型軌枕逆推可以獲得最大橫向阻力值，因此研究砟肩寬度降低時(shí)其橫向阻力是否滿足橫向阻力驗(yàn)收值，并且與普通Ⅲ型軌枕進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示. 由圖中可以看出：降低砟肩寬度后橫向阻力值在軌枕位移2 mm處降低約16%；與普通軌枕砟肩寬度50 cm對(duì)比，摩擦型軌枕在砟肩寬度30 cm的情況下阻力值在1.2 mm和5.0 mm處和Ⅲ型軌枕接近. 由此可以判斷單向箭頭摩擦型軌枕可以應(yīng)用于砟肩等道床斷面尺寸減小的特殊地段情況.

圖6 砟肩寬度降低后摩擦型軌枕橫向阻力Fig. 6 Lateral resistance after reducing shoulder ballast width

3 結(jié) 論

本文針對(duì)川藏鐵路有砟軌道穩(wěn)定性和韌性進(jìn)行研究，通過研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造箭頭型摩擦型軌枕，采用道床橫向阻力試驗(yàn)，研究、比較、確定摩擦型軌枕增強(qiáng)方案，以及分擔(dān)、影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1） 箭頭型摩擦型軌枕與普通Ⅲ型軌枕相比，道床阻力增幅分別為最低7%和最高24%，可提高無縫線路穩(wěn)定性和韌性.

2） 采用單向箭頭軌枕方案逆推條件下，砟肩寬度為30 cm時(shí)，可以達(dá)到普通Ⅲ型軌枕砟肩寬度50 cm道床阻力值.

3） 對(duì)于單向箭頭型摩擦型軌枕在逆推條件下橫向阻力值更高，因此在曲線地段應(yīng)用時(shí)，應(yīng)采用箭頭方向指向內(nèi)軌.