井國慶，王新雨，周 強，蔡小培

(北京交通大學 土木建筑工程學院， 北京 100044)

道床縱橫向阻力是列車安全、平穩(wěn)舒適運行的必要條件，一直以來是軌道工程研究重點內容之一[1]。道床縱橫向阻力與軌枕、道砟散體和道床斷面有關[2]。近年來，隨著我國重載和高速鐵路建設，對于軌道結構安全和穩(wěn)定性提出更全面要求，比如安全性與穩(wěn)定性之間平衡問題。隨列車車速增加，道砟受高速風壓及道床振動影響，容易產(chǎn)生飛濺，對列車車體及軌道結構造成損害[3]。因此，我國TG/GW 116—2013《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則》(試行)[4]和TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》[5]規(guī)定需要優(yōu)化有砟道床斷面、降低枕間道砟高度及砟肩高度，如前者規(guī)定將速度為250～300 km/h道床斷面砟肩堆高，由通常情況下150 mm降為100 mm，并適當降低枕間道床與軌枕上表面高差，當速度為200～250 km/h時，道床頂面在軌枕承軌面以下30～40 mm；當速度為250～300 km/h時，道床頂面在軌枕承軌面以下40～50 mm[4]。同時可以進一步推斷，隨著列車速度提高，道床頂面，尤其是枕間道砟位置與軌枕承軌面高差會增加，然而枕間道砟不飽滿，均會一定程度上降低道床縱橫向阻力值。與此同時，需要指出的是隨著速度提高，無縫線路需要更高道床阻力，如濟青高鐵、京張高鐵、北盤江大橋都采用了聚氨酯道床方案。高速有砟道床參數(shù)見表1[4]。

表1 道床主要狀態(tài)參數(shù)指標

國內外相關學者對枕間道砟與道床阻力關系開展了一些相關研究。研究結果表明，枕間道砟通過與軌枕側面的摩擦，提供10%～15%的道床橫向阻力[6]。文獻[7]則顯示枕間道砟對縱向阻力的分擔約為58.7%。枕間道砟飽滿將使道床橫向阻力顯著增大，有利于無縫線路穩(wěn)定性[8]。枕間道砟除了影響道床橫向阻力外，也影響道床縱向阻力。

綜上所述，我國缺乏現(xiàn)有規(guī)范條件下枕間道砟飽滿程度對道床縱橫向阻力試驗和研究，使得在高速有砟鐵路道床斷面選型時缺少依據(jù)，存在一定安全隱患，導致飛砟防治措施過度或者無縫線路失穩(wěn)[1]。本文綜合考慮飛砟防治和無縫線路穩(wěn)定需求，基于試驗研究枕間道床飽滿程度對鐵路有砟道床縱橫向阻力影響、分擔，同時提供在枕間道砟缺失條件下，增強縱橫向阻力方法與結構，為高速鐵路有砟道床設計提供相應理論和試驗支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗有砟軌道試驗平臺全長20 m，厚度為350 mm，邊坡坡度為1∶1.75，砟肩寬度為500 mm，嚴格按照高速鐵路有砟道床材質和斷面進行鋪設。采用Ⅲ型混凝土枕，軌枕間距600 mm，枕間道砟高度及砟肩形狀由工況決定。試驗場選用的道砟級配符合我國TB 2140—2008《鐵路碎石道砟》[9]中關于高速鐵路特級道砟的規(guī)定，材料為玄武巖。在鋪設過程中，為了保證道床密實，采用電動平板夯實機對道床進行分層夯實。將350 mm厚的道床共分為三層，每一層鋪設完成后都進行夯實。在放置軌枕之后，對軌枕周圍道砟也都采用三層分層夯實方法。為了保證各種工況密實度相同，所有工況都采用相同夯實方法。

1.2 試驗工況

本文研究枕間道砟高度對Ⅲ型軌枕縱向阻力和橫向阻力的影響，對各種工況下的測試數(shù)據(jù)進行對比。為了保證結果對比有效，根據(jù)我國TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》[5]，將工況1—工況8的砟肩寬度定為500 mm，砟肩堆高定為150 mm。同時，為了計算得到縱向阻力分擔情況，工況9不設置砟肩。工況設置見表2。

表2 試驗工況

1.3 道床阻力試驗

本次試驗采用分級加載方式，對每種工況進行3次試驗，3組試驗結果的平均值為最終結果，各工況均取位移為2 mm時對應的阻力值作為道床阻力。每種工況測試完成后，對道床進行整形、搗固以及夯實，再進行后續(xù)試驗。本次試驗用到的儀器有：自制反力架，液壓千斤頂(10 t)，壓力傳感器(輪輻式)，千分表(量程為30 mm)，應變調理儀(INV861A型)，數(shù)據(jù)采集儀(INV3018A型)等。

2 結果與分析

2.1 橫向阻力分擔

對普通條形軌枕來說，道床的橫向阻力主要由3部分組成。本文分別通過3組道床橫向阻力試驗取均值，研究阻力分擔。試驗軌枕橫向阻力分擔情況見圖1。由圖1可知：軌枕底面提供橫向阻力值約占總體47%～52%；軌枕側面與枕間道砟摩擦約占總體10%～13%；而軌枕端部道砟因抗剪而產(chǎn)生的橫向阻力值約為34%～38%，本試驗結果與相關研究成果具有一致性[6]。

圖1 軌枕橫部位向阻力分擔

2.2 枕間道砟對橫向阻力影響

阻力隨位移增大而增大，也隨著枕間道砟飽滿度增大而增大。枕間道砟高差對橫向阻力影響見圖2。由圖2可見，各工況下阻力位移曲線并未出現(xiàn)明顯峰值，但也沒有出現(xiàn)峰值軟化情況。相比枕間道砟飽滿工況，枕間道砟高度降低50 mm時橫向阻力減少了0.61 kN，即6.0%左右；枕間道砟高度降低100 mm時，橫向阻力減少了1.08 kN，約11.0%；而枕間無道砟工況，橫向阻力相比枕間道砟飽滿時減少了1.31 kN，即13.0%左右。由此可知，枕間道砟飽滿度對道床橫向阻力有一定影響，防治飛砟技術措施降低枕間道砟飽滿度后引起道床阻力降低，需要引起注意，必要時宜采取措施提升道床阻力。

圖2 枕間道砟高差對橫向阻力的影響

2.3 縱向阻力分擔

與橫向阻力構成類似，軌枕的縱向阻力也可以分為三個組成部分。首先是由底部道砟與軌枕底部剪切摩擦產(chǎn)生縱向阻力，其次是枕間道砟與軌枕剪切作用產(chǎn)生的縱向阻力，最后是砟肩與軌枕兩端剪切產(chǎn)生縱向阻力，見圖3。

圖3 軌枕縱向阻力構成示意圖

工況5得到的縱向阻力值為總值，即由軌枕底部道砟、枕間道砟以及砟肩道砟三部分提供的縱向阻力。工況8所得的縱向阻力為軌枕底部與砟肩兩部分提供阻力。工況9測得縱向阻力為軌枕底面提供阻力。工況8和工況9測得縱向阻力之差即為砟肩阻力，工況5和工況8測得縱向阻力之差即為枕間道砟阻力，由此可得到3部分道床縱向阻力值及在總值中所占的比例，以上試驗分別進行三次取平均值。結果見表3。由表3可見，縱向阻力主要由枕間道砟提供為70%，其次為軌枕底部為25%，最后為砟肩為5%。

表3 縱向阻力分擔

2.4 枕間道砟對縱向阻力影響

相比枕間飽滿工況，枕間道砟降低50 mm時，縱向阻力降少了3.11 kN為25.6%；枕間道砟降低100 mm時縱向阻力減少了7.17 kN為59.0%；而枕間無道砟時，減少了8.41 kN為69.3%。枕間道砟高差對橫向阻力影響見圖4。由圖4可知：枕間道砟飽滿度對道床縱向阻力影響顯著。

圖4 枕間道砟高差對縱向阻力的影響

3 增強方案

隨著高速鐵路和重載鐵路發(fā)展，有砟道床必須在防止或者降低飛砟病害前提下，提供足夠道床縱橫向阻力，需要指出的是，重載鐵路小曲線半徑更容易失穩(wěn)，對道床阻力指標要求更高。TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》[5]和TG/GW 116-2013《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則》[4](試行)均規(guī)定，防治飛砟需要相應地降低枕間道砟高度，導致道床縱橫向阻力降低。為了保證在降低道床枕間道砟飽滿度情況下道床縱橫向阻力，需要采取一定措施進行加強，本文總結了以下四種解決措施。

3.1 局部噴涂聚氨酯

相關研究表明[3]，在不影響搗固維修前提下，采用道床局部噴涂聚氨酯后，道床縱向阻力增加了6.31%～15.60%，道床橫向阻力增加了8.70%～17.14%，進而可以相應降低砟心道砟，降低飛砟幾率和風險。文獻[10]表明在道床全斷面噴涂道砟膠，可以提高縱向阻力8.5倍，提高橫向阻力17.4倍。

3.2 新型軌枕設計

通過對軌枕進行結構的優(yōu)化也可以增強道床阻力，包括異型軌枕和摩擦型軌枕[11-12]。使用異型軌枕如在軌枕兩側設置翼部，可以提高道床橫向阻力約29.4%[11]。使用摩擦型軌枕如在軌底設置波浪形紋理，可以增加64%橫向阻力[12]。同時，還有可以使用長釘固定的軌枕等，對道床縱橫向阻力提升也有顯著效果[13]。

3.3 軌枕附加裝置

通過對軌枕增加一些簡單裝置可提升道床阻力。如在軌枕的兩側和中心加裝擋板，既便于安裝和維修替換，又能有效地提升道床橫向阻力，對道床擾動也較小[14-15]，擋板的外形見圖5。

圖5 軌枕擋板[14]

3.4 枕間道床夯實裝置

瑞士MATISA搗固機械公司提供一枕間道床壓實裝置，與搗固車安裝在一起，搗固前枕同時進行壓實已經(jīng)搗固后枕，搗固維修后道床橫向阻力增加了30%以上，如果同時采用砟肩壓實裝置，道床橫向阻力增加了55%以上，不占用搗固機械額外時間，具體夯實裝置見參考文獻[16]，枕間道床壓實裝置作用前后橫向阻力對比見圖6。

圖6 壓實作用對橫向阻力的影響[16]

4 結論

本文通過試驗研究了枕間道砟對道床縱橫向阻力機理和影響規(guī)律，對高速鐵路有砟道床斷面設計和規(guī)范制訂均具有一定參考價值，尤其是在保持無縫線路縱橫向阻力條件下，如何有效降低飛砟風險和幾率。主要結論如下：

(1) 枕間道砟是道床縱橫向阻力重要組成部分，占橫向阻力的10%～13%，占縱向阻力的66%～70%。

(2) 枕間道砟頂面與軌枕承軌面高差越大(飽滿度越低)，道床縱橫向阻力減少越多。如高差為5 cm時，相比枕間道砟飽滿的情況，縱橫向阻力分別減少了25.6%和6.0%。

(3) 當枕間道砟降低后，宜采取局部噴涂聚氨酯，以及采用新型軌枕或安裝附加裝置等方案進行道床阻力加強。