框架优化型Ⅲc轨枕道床横向阻力试验研究

井国庆,　付　豪,　贾文利,　姚　力,　林红松

(1. 北京交通大学土木建筑工程学院, 北京 100044; 2. 中铁二院工程集团有限责任公司, 四川 成都 610031)

道床横向阻力作为有砟道床力学特性重要参数和控制指标,对轨道几何形位及无缝线路稳定性有着重要的影响,足够的阻力是保证列车行驶的安全性和舒适性,防止有砟轨道无缝线路跑道胀道的必要条件[1-2].道床横向阻力提升可从道床和轨枕两个方面着手：道床层面包括道砟颗粒形状、级配、材质、道床断面尺寸、密实度、脏污层度等[3-8]；轨枕层面包括轨枕形状、尺寸、重量、材质等[1,9-11].除此之外,道床横向阻力受运营维修如清筛、捣固影响较大,也是研究内容之一,如道床捣固后横向阻力值减小可达50%[12-13].需要指出的是,近年来从道床层面提高道床阻力已经遇到瓶颈,很难再有较大空间.与此同时,随着重载和超高速有砟道床发展以及应用环境和技术条件的复杂性和多样性,对道床横向阻力提出了更高要求[1].包括重载铁路某些特殊地段,尤其是在小曲线半径处、温差过大地段、曲线超高地段等;如设计时速400 km/h俄罗斯莫喀高铁、英国HS2高铁和抗震要求的伊朗德伊高铁等,以上这些对道床阻力、无缝线路稳定性、飞砟防治产生巨大挑战.需要再次强调的是,轨枕设计是提高有砟道床纵横向阻力、降低道床垂向动力、延缓道床劣化及降低飞砟的有效手段[1,5].在此背景条件下,新型轨枕研发和运用应运而生,对普通条型轨枕的尺寸、长度、外形、材料、配筋及重量等方面进行优化,包括摩擦型轨枕、加钉轨枕、纤维轨枕、异型轨枕、重载新型轨枕等[14-22].与此同时,传统普通条枕通过砟肩堆高方式增加道床横向阻力增加了飞砟发生几率,难以满足超高速铁路无缝线路稳定性和飞砟安全性要求.因此框架轨枕成为上述问题有效解决方案之一.目前道床横向阻力研究多考虑普速铁路和常规工作状态,研究主要集中于普通条枕、维修稳定前后、脏污状态、断面形式等的影响规律和宏观力学特性,缺乏针对我国标准Ⅲc型轨枕的优化及优化后新型轨枕的道床阻力测试分析.

为提高轨枕底部阻力、枕心阻力和砟肩阻力,本文基于普通条枕道床横向阻力分担与组成相关研究,在标准Ⅲc型混凝土轨枕上设计制作3种新型轨枕,形成了具有骨架式构造的条形轨枕,后文称为框架式轨枕.所设计制造框架轨枕不影响有砟道床养护维修作业.同时通过道床横向阻力现场试验,测试、比较、分析各框架轨枕与标准Ⅲc型混凝土轨枕的横向阻力特性.本次实验中道床状态与实际运营线路具有区别,本文横向阻力测试所用道床为新铺道床,铺设过程中分层采用小型压实机密实,铺设完成后未经过列车碾压密实.

1　材料及方法

1.1　框架轨枕

国内外研究表明条形轨枕道床横向阻力F主要由轨枕底部阻力F1、轨枕两侧阻力F2、砟肩阻力F3组成[23],即F=F1+F3+F2，如图1所示.

图1　条形轨枕阻力组成Fig.1　Constitution of lateral resistance

条形轨枕道床横向阻力分担比例根据线路运营条件不同,一般来说,轨枕底部提供横向阻力约30%～40%,砟肩部位所提供的阻力约30%～50%,轻轨两侧所提供的阻力约15%～20%[3,24].考虑到横向阻力是由道砟颗粒与轨枕表面摩擦、颗粒错动滑移和道砟颗粒重新排列而产生,枕底、枕端、枕心均是提供道床横向阻力的重要部位,优化轨枕各部位外形可增大各部位轨枕与道砟颗粒间咬合作用和范围.因此基于我国标准Ⅲc型混凝土轨枕,同时考虑有砟道床传统养护维修作业工序,本文设计了3种框架轨枕:A为在我国标准Ⅲc型混凝土轨枕承轨台设计翼缘进行两端加宽(H型混凝土轨枕);B为在我国标准Ⅲc型混凝土轨枕中部进行加宽(十字型混凝土轨枕);C为在我国标准Ⅲc型混凝土轨枕承轨台底部进行加厚(π型混凝土轨枕).3种基础新型混凝土轨枕与我国标准Ⅲc型混凝土轨枕如图2所示.

图2　各型轨枕示意Fig.2　Diagrams of frame sleepers

按设计尺寸特制混凝土块,在我国标准Ⅲc型轨枕特定部位上，如承轨台底部、边缘及轨枕中部采用高强AB胶,粘结特制混凝土块,制作各型框架混凝土轨枕,如图3所示,图中从左至右依次为A、B、C框架轨枕所粘结小块尺寸.混凝土块设计尺寸基于标准Ⅲc型轨枕尺寸、轨枕间距(0.6 m)及我国高速铁路设计规范所规定的特级道砟粒径.

(a) 俯视图

(b) 正视图图3　混凝土块尺寸图(单位:cm)Fig.3　Diagrams of concrete block(unit: cm)

本文所用特制混凝土小块采用C60高强混凝土,所用胶体为专用高强AB胶,抗拉强度40 MPa.本文旨在测试各型框架轨枕及Ⅲc型混凝土轨枕横向阻力,各框架轨枕黏结面经计算具有足够抗剪强度,阻力实验后,道砟胶黏结面并未发生破坏,胶黏结面结实可靠.框架轨枕实物如图4.

图4　框架轨枕(从左至右依次为A、B、C型)Fig.4　Pictures of frame sleepers (A、B、C from left to right)

A、B框架式轨枕中混凝土块高18.5 cm,保证与轨枕中部顶面平齐且略低于承轨台平面;设置斜面保证与轨枕贴合;混凝土块梯形截面上长度13 cm 大于两个道砟最大粒径,下长度10 cm大于两个道砟平均粒径,同时保证相邻轨枕最窄处间距大于两个道砟最大粒径.A框架轨枕混凝土块沿轨枕长度方向取14 cm,取约为承轨台平面长度的1/2;B框架轨枕混凝土块沿轨枕长度方向取18 cm,约为轨枕中部平面长度的2/3；C框架轨枕混凝土块横向宽度取轨枕底面宽度32 cm,纵向厚度8 cm略大于一个道砟的最大粒径6.3 cm，且约为两个道砟平均粒径,沿轨枕长度方向取14 cm,约为承轨台平面长度的1/2.

1.2　有砟道床

本文试验为道床横向阻力测试实验,测试地点位于北京交通大学滨海学院室外试验场内,人工铺设12 m有砟轨道.试验采用我国标准Ⅲc型混凝土枕及各型框架轨枕,轨枕间距600 mm,边坡坡度1∶1.75,道床厚度350 mm,相邻轨枕间道砟与轨枕中部顶面平齐,砟肩宽度、堆高依工况而异;试验道砟为水洗玄武岩碎石,道砟粒径级配等各项指标均符合特级道砟的要求[25].

铺设时采用分层夯实保证道床密实度,采用110型电动平板夯实机对350 mm厚道床分4层4次夯实铺设,轨枕放置后,枕心及砟肩部位采用3层 3次夯实.为保证试验对比准确,所有工况严格采用同样铺设夯实方法,保证道床密实度相同.现场阻力测试如图5所示.

(a) 加载装置(b) 位移计图5 现场阻力测试Fig.5 Lateral resistance in-situ test

每组测试结束后,等待轨枕回弹,换填道砟,采用电动平板夯实机重新对道床进行夯实,最大限度保证每次试验道床情况相同,每组工况测试3组实验数据,将3组实验数据取平均值,试验结果中轨枕位移2 mm时阻力值为该轨枕的道床横向阻力.

1.3　试验工况

为研究各框架轨枕与标准Ⅲc型轨枕横向阻力受砟肩宽度、堆高影响,对比分析各框架轨枕与标准Ⅲc型轨枕在相同道床断面下横向阻力情况.取轨枕类型、砟肩宽度、砟肩堆高为测试变量,其余实验道床参数均取定值,轨枕间距为600 mm,边坡坡度为 1∶1.75,道床厚度为350 mm,相邻轨枕间道砟与轨枕中部顶面平齐.共设置12种工况,如表1.

表1试验工况
Tab.1Test condition mm

工况轨枕类型砟肩宽度砟肩堆高1标准Ⅲc型50002标准Ⅲc型5001503标准Ⅲc型30004A框架轨枕50005A框架轨枕5001506A框架轨枕30007B框架轨枕50008B框架轨枕5001509B框架轨枕300010C框架轨枕500011C框架轨枕50015012C框架轨枕3000

2　结果与分析

2.1　A型框架轨枕

标准Ⅲc型轨枕与A框架轨枕在工况1～6下横向阻力-轨枕位移曲线如图6.由图6可知，各工况下阻力位移曲线无明显峰值也无峰值软化现象,阻力随位移增大而逐渐增大,曲线趋势表明新铺道床并未达到致密状态[26].A型框架轨枕相较于标准Ⅲc型轨枕,在砟肩宽度500 mm,堆高为0下,阻力提升约3.1 kN(43.7%),与铁科院现场测试结果具有高度吻合[16];在砟肩宽度500 mm，堆高 150 mm 下,阻力提升约3.7 kN(37.8%);在砟肩宽度 300 mm,堆高为0下,阻力提升约3.1 kN(50.8%).

对比工况1、2,砟肩堆高由0增至150 mm,标准Ⅲc型轨枕道床横向阻力值由约7.1 kN增至9.8 kN;对比工况1、3,砟肩宽度由300 mm增至500 mm 时,标准 Ⅲc型轨枕道床横向阻力由约 6.1 kN 增至7.1 kN；对比工况4、5,砟肩堆高由0增至150 mm时,A框架轨枕阻力由约10.2 kN增至13.5 kN，提升约3.3 kN,相同砟肩堆高变化情况下标准Ⅲc型轨枕阻力提升 2.7 kN,A框架轨枕横向阻力受砟肩堆高变化影响更大；对比工况4、6,砟肩宽度由300 mm增至500 mm时,A框架轨枕阻力由约 9.2 kN 增至10.2 kN,增加约1.0 kN,标准 Ⅲc型轨枕在同样砟肩变化下阻力提升值也约为 1.0 kN,A框架和标准 Ⅲc型轨枕阻力提升值基本相同.

图6　标准Ⅲc、A型轨枕横向阻力-位移Fig.6　Resistance-displacement of Ⅲc sleeper and A frame sleeper

从轨枕与道床相互作用分析,A型框架轨枕在轨枕承轨台处增设翼缘,增加了轨枕端头处轨枕移动时道砟剪切锲体径向宽度,理论上相较于标准Ⅲc 型轨枕砟肩宽度及堆高的变化对于轨枕横向阻力影响更大,然而本次试验结果中砟肩宽度变化对于A型轨枕及标准Ⅲc轨枕阻力影响基本相同,其原因可能为A型轨枕所增翼缘加宽部位位于承轨台底部,离轨枕端部较远,影响道砟剪切锲体范围还未到达砟肩宽度300 mm外部位,但已到达道床砟肩堆高部位.同时由于轨枕两端均设置有翼缘加宽,相邻轨枕间道砟与轨枕相互作用除轨枕侧面摩擦作用外还存在翼缘加宽处抗剪切滑动阻力,该部分阻力对横向阻力提升也有较大贡献.

2.2　B型框架轨枕

标准Ⅲc型轨枕与B型框架轨枕在工况1和7、工况2和8及工况3和9情况下横向阻力-轨枕位移曲线如图7.由图7可知:各工况下阻力位移曲线无明显峰值也无峰值软化,阻力随位移增大而逐渐增大;B型框架轨枕相较于标准 Ⅲc型轨枕,在砟肩宽度500 mm和砟肩为0下,阻力提升约2.4 kN(33.8%);在砟肩宽度500 mm和砟肩堆高 150 mm下,阻力提升约2.5 kN(25.5%);在砟肩宽度300 mm和砟肩堆高为0下,阻力提升约2.5 kN(41.0%).

对比工况7、8,砟肩堆高由0增至150 mm时,B框架轨枕阻力由约 9.5 kN 提升至12.3 kN,增大约2.8 kN,相较于标准Ⅲc型轨枕相同砟肩堆高变化时的阻力提升值 2.7 kN并无明显差异；对比工况7、9,砟肩宽度由300 mm增至500 mm时,B框架轨枕阻力由约 8.6 kN 增加至9.5 kN,增加约0.9 kN,相较于标准Ⅲc型轨枕相同砟肩宽度变化时阻力提升约 1.0 kN,并无明显变化.由试验数据可大致判断,B型框架轨枕与标准Ⅲc型轨枕横向阻力受道砟砟肩部位变化的影响基本相同.

图7　标准Ⅲc、B型轨枕横向阻力-位移Fig.7　Resistance-displacement of Ⅲc sleeper and B frame sleeper

根据轨枕与道床相互作用分析,B型框架轨枕在轨枕中部增设加宽,加宽部位距轨枕端头部位较远,轨枕发生位移时翼缘加宽部位影响道砟颗粒集中于轨枕中部两侧,轨枕端头处道砟滑动剪切锲体体积并无明显变化,因而相较于标准Ⅲc型轨枕,砟肩宽度及砟肩堆高的提升对轨枕横向阻力的增加效果相差不大.但由于轨枕中部设置有翼缘加宽,相邻轨枕间道砟与轨枕相互作用除摩擦作用外还存在轨枕中部翼缘加宽处抗剪切滑动阻力,该部分阻力对横向阻力提升有较大贡献.

2.3　C型框架轨枕

标准Ⅲc型轨枕与C型框架轨枕在工况1和10、工况2和11以及工况3和12情况下横向阻力-轨枕位移曲线如图8所示.由图8可知:各工况下阻力位移曲线无明显峰值也无峰值软化现象;C型框架轨枕相较于标准Ⅲc型轨枕,在砟肩宽度500 mm 和砟肩为0下,阻力提升约1.2 kN(16.9%);在砟肩宽度 500 mm和砟肩堆高 150 mm 下,阻力提升约1.3 kN(13.3%);在砟肩宽度300 mm和砟肩堆高为0下,阻力提升约 1.4 kN(23.0%).

对比工况10、11,砟肩宽度500 mm,砟肩堆高由0增至150 mm时,C框架轨枕阻力由约8.3 kN提升至11.1 kN,增大约2.8 kN,相较于标准Ⅲc型轨枕相同砟肩堆高变化时的阻力提升值2.7 kN并无明显差异；对比工况10、12,砟肩堆高为0,砟肩宽度由300 mm增至500 mm时,C框架轨枕阻力由约7.5 kN增至8.3 kN,增加约 0.8 kN,相较于标准Ⅲc型轨枕阻力提升约1.0 kN,略有减少,与日本模型试验吻合度较好[15].

图8　标准Ⅲc、C型轨枕横向阻力-位移Fig.8　Resistance-displacement of Ⅲc sleeper and C frame sleeper

根据轨枕与道床相互作用分析,C型框架轨枕在轨枕承轨台底部设置加厚台,轨枕底部轨枕道砟相互作用由简单的相互摩擦作用变为相互摩擦与轨枕底部道砟剪切作用相结合,剪切作用等同于在轨枕承轨台底部加厚区域各形成了一个道砟剪切锲体,对横向阻力的提升有明显作用,但加厚部位距离轨枕端头较远,加厚部位所影响范围并未达到轨枕端部,因而相较于标准 Ⅲc型轨枕,砟肩宽度和堆高改变对C型框架轨枕横向阻力影响几乎相同.

3　结　论

本文通过设计、优化我国标准Ⅲc型轨枕,采用高强胶黏结特制混凝土块,制作3种框架轨枕,开展道床横向阻力试验测试标准Ⅲc型轨枕及各框架轨枕横向阻力,试验表明各型框架轨枕相较于标准Ⅲc型轨枕道床横向阻力均有较大提升作用.本文所优化的框架轨枕对于轨枕选型、减少道床断面尺寸和道砟用量、降低建设成本具有一定意义.