米軌混凝土軌枕與鋼枕道床阻力研究

蔡元輝 張沐然 韓義濤 熊維 韋凱

1.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031

米軌鐵路造價低，占地少，可通過曲線半徑小，是未來建設復雜艱險山區鐵路的良好選擇［1］。米軌軌枕作為維持軌道框架整體穩定性的重要部件，其道床縱向、橫向阻力是大坡道地段和小半徑曲線區段抵抗軌排結構位移的基礎，對線路安全運營至關重要。

楊寶峰等［2］圍繞鐵路軌枕的發展及應用展開調研，對各種軌枕（木枕、混凝土軌枕和鋼枕）進行了優缺點分析，結果表明混凝土軌枕和鋼枕均具有承受荷載大、保持軌距穩、道床阻力大等優點，對保持軌道框架的穩定性極為有利。國內學者對適用于標準軌距的Ⅱ型、Ⅲ型混凝土軌枕的道床阻力開展了大量試驗研究，部分成果納入了無縫線路相關設計規范。楊艷麗［3］通過現場原位測試和數理統計分析，擬定了Ⅲ型混凝土軌枕有砟道床縱向、橫向阻力曲線。井國慶等［4］試驗研究了一種梯形軌枕橫向阻力的構成，并確定各部分阻力的比例。

對適用于米軌鐵路的軌枕，國內尚未開展理論和試驗研究。對于結構形式和受力特點與混凝土軌枕差異巨大的鋼枕，尚無相關阻力參數或設計規范。因此，本文以我國西部山區一在建旅游米軌鐵路工程為背景，對米軌混凝土軌枕和鋼枕開展道床阻力試驗研究，以期指導米軌鐵路無縫線路的設計與建設。

1 試驗準備

該米軌鐵路采用有砟軌道，全線鋪設無縫線路，計劃采用混凝土軌枕或鋼枕。由于線路運行于存在眾多大坡道、小半徑地段的艱險山區，因此軌道結構將會承受較大的縱向、橫向力，對軌道結構穩定性帶來巨大挑戰。

試驗軌道部件：扣件采用彈條Ⅰ型扣件；軌枕選用米軌專用的混凝土軌枕和鋼枕，軌枕間距0.6 m；采用50 kg/m鋼軌；道砟級配符合我國一級道砟級配要求［5］，在試驗開始前利用道砟振搗器振搗密實［6］。

有砟道床尺寸參數［7］：道床邊坡坡度為1∶1.75，道床厚0.3 m，道床頂面寬3.0 m，砟肩堆高0.15 m。

米軌鐵路的軌枕結構形式不同于普通有砟道床，其混凝土軌枕和鋼枕質量分別為230、56 kg，長度均為2 m。由于結構形式不同，兩種軌枕提供道床阻力的方式有較大差距?；炷淋壵淼牡来沧枇χ饕ǖ酌婧蛢蓚€側面的摩擦力以及軌枕端部道砟抗剪提供的阻力。鋼枕的道床阻力主要包括兩個外側面的摩擦力、鋼枕內部及端部道砟抗剪提供的阻力。

試驗前，在室內鋪設米軌有砟道床。由于道床密實度會對道床阻力測試產生影響，為了使道床盡可能密實，進行分層鋪設。共分三層鋪設，每一層夯實后再鋪設下一層。

道床厚度達到要求后進行軌枕安裝。對于待測軌枕，不安裝扣件和軌下墊板，保證測試的阻力完全由軌枕產生，確保試驗的準確性。軌枕和鋼軌安裝完成后，采用振搗器對道床進行最后的夯實處理，確保道床達到足夠的密實度。

2 試驗內容

2.1 試驗方法

通過原位測試法測試單根軌枕的道床阻力。試驗場地共鋪設了5根軌枕，測試時撤去中間軌枕的扣件系統，將其作為待測軌枕。

為了保證試驗準確性，阻力測試時使用兩個位移計，分別放置在待測軌枕的兩側，取兩表讀數的平均值作為軌枕的位移。為了使數據反映足夠真實的道床阻力，加載時每產生0.1 mm位移就記錄一次數據。

道床縱向阻力測試時，由于米軌混凝土軌枕表面并不是垂直的，為使千斤頂垂直推動軌枕，設計了與米軌混凝土軌枕表面貼合的楔形塊來輔助測試，如圖1（a）所示。由于米軌鋼枕表面不規則，難以均勻施加荷載，因此利用外部反力墻提供反力，同時利用外界裝置來提供加載反力，如圖1（b）所示。

圖1 道床縱向阻力測試

道床橫向阻力測試時，對于米軌混凝土軌枕，用設計的裝置與測試軌枕扣件部位的螺栓貼合，將千斤頂推力施加到鋼軌上，利用鋼軌提供橫向支反力，如圖2（a）所示。對于米軌鋼枕，由于鋼枕全部埋于道砟中，沒有合適的加載點，通過高強焊接加工一個平整的加載裝置，如圖2（b）所示。

圖2 道床橫向阻力測試

2.2 試驗步驟

1）拆除待測軌枕的扣件。

2）安裝道床阻力測試試驗工裝。對于道床縱向阻力測試，在待測軌枕與提供反力的相鄰軌枕中部安裝楔形試驗工裝，使千斤頂施加的荷載與軌枕保持垂直；對于道床橫向阻力測試，利用軌枕上的道釘或高強焊接塊使工裝與軌枕保持緊密連接。

3）安裝液壓千斤頂。安裝過程中保持與接觸面和反力架垂直，保證施加力的準確。

4）將兩個位移計分別放置在待測軌枕的兩側。

5）千斤頂在加力時保持平穩加壓，分級加載，在每級加載完成后讀取并記錄百分表所顯示的軌枕位移。每發生0.1 mm位移記錄一次數據。

3 試驗結果及數據分析

3.1 道床縱向阻力

有砟道床是散粒體結構，測試得到的道床阻力具有離散性。米軌混凝土軌枕和鋼枕的道床縱向阻力-位移測試結果見圖3。出于對取值安全性的考慮，對測得的有效道床縱向阻力求平均值，然后用平均值減去2.5倍標準差［8］得到統計學概念中的最小可能值，將該值作為米軌混凝土軌枕和鋼枕道床縱向阻力的設計值。經過計算可得，當軌枕縱向位移2 mm時，米軌混凝土軌枕和鋼枕的道床縱向阻力設計值分別為9.67、8.31 kN，米軌鋼枕道床縱向阻力設計值比混凝土軌枕低14.1%。

圖3 米軌道床縱向阻力-位移測試結果（散點）

根據TB 10015—2012《鐵路無縫線路設計規范》，軌枕道床阻力曲線是一個冪指函數曲線。通過MATLAB軟件編程，將試驗測得的米軌混凝土軌枕和鋼枕的道床縱向阻力最小可能值進行最小二乘擬合［3］，得到米軌道床縱向阻力-位移曲線（圖4），其擬合公式為

圖4 米軌軌枕縱向阻力-位移擬合曲線

式中：RZC、RZS分別為米軌混凝土軌枕、鋼枕道床縱向阻力，kN/枕；y為軌枕縱向位移，mm。

3.2 道床橫向阻力

米軌混凝土軌枕和鋼枕道床橫向阻力-位移測試結果見圖5。經過計算可得，當軌枕橫向位移2 mm時，米軌混凝土軌枕和鋼枕的道床橫向阻力設計值分別為5.27、4.98 kN，米軌鋼枕道床橫向阻力設計值比混凝土軌枕低5.5%。試驗所得到的道床橫向阻力均大于相應的設計值，說明以最小可能值作為道床阻力設計參考值安全可靠。

圖5 米軌道床橫向阻力-位移測試結果（散點）

與道床縱向阻力擬合方法一樣，擬合得到道床橫向分布阻力-位移曲線，其擬合公式為

式中：RHC、RHS分別為米軌混凝土軌枕、鋼枕道床橫向分布阻力，kN/枕；xH為道床橫向位移，mm。

工程中，有砟道床橫向阻力通常采用軌排沿線路方向的單位長度橫向分布阻力來進行評估。對式（3）、式（4）進行單位換算，換算后的擬合曲線見圖6，擬合公式為式中：qC、qS分別為米軌混凝土軌枕、鋼枕道床橫向分布阻力，N/cm；x為道床橫向位移，cm。

圖6 米軌軌枕橫向分布阻力-位移擬合曲線

根據TB 10015—2012，用軌枕橫向移動2 mm時的等效道床分布阻力來評判軌枕抵抗橫向滑移能力，表達式為

式中：Q為等效道床橫向分布阻力，N/cm；q0為初始道床橫向阻力，N/cm；B、C、Z、N均為道床橫向阻力系數。

對于米軌混凝土軌枕和鋼枕，其道床橫向分布阻力參數見表1。

表1 米軌道床橫向分布阻力參數

計算得到米軌鋼枕、混凝土軌枕的等效道床分布阻力分別為74.1、77.4 N/cm，鋼枕的等效道床分布阻力比混凝土軌枕僅低4.3%，相差不大，這在實際工程中是可以接受的。

在重量相差較大的情況下，米軌鋼枕的各項道床阻力都接近混凝土軌枕，初步分析是鋼枕枕心處的道砟與下部道砟的剪切作用提供了大量的阻力所致。鋼枕重量較小，安裝和養護方便且承載能力強，在兩種軌枕都滿足阻力要求的情況下，建議優先選擇鋼枕。

4 結論及建議

1）位移為2 mm時，米軌混凝土軌枕和鋼枕的道床縱向阻力設計值分別為9.67、8.31 kN，道床橫向阻力設計值分別為5.27、4.98 kN，等效道床分布阻力分別為77.4、74.1 N/cm。米軌鋼枕道床縱向、橫向阻力設計值、等效道床分布阻力分別比混凝土軌枕低14.1%、5.5%、4.3%。

2）米軌鋼枕的重量僅為混凝土軌枕的1/4，二者道床阻力卻相差不大。鋼枕安裝、養護方便且承載能力強，在滿足阻力要求的前提下，建議優先選擇鋼枕。

本文的試驗結果可為米軌鐵路軌枕的選型及結構設計提供參考，為形成完善的理論體系及設計標準提供理論與試驗基礎。在今后的研究中，可深入研究鋼枕道床阻力的構成及分擔比例，并對鋼枕結構進行針對性優化設計以提高其道床阻力。