復(fù)合軌枕道床橫向阻力試驗(yàn)及優(yōu)化分析

井國(guó)慶,宋佳寧,強(qiáng)偉樂(lè),付 豪,白 健

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044； 2.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600； 3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所,北京 100081； 4.洛陽(yáng)科博思新材料科技有限公司,河南洛陽(yáng) 471000)

引言

在有砟軌道結(jié)構(gòu)中，軌枕是重要的組成部件，承擔(dān)著固定和保持軌距，承受列車荷載并傳遞壓力，保持軌道穩(wěn)定性的功能[1]。傳統(tǒng)軌枕按材料分為木枕、混凝土枕和鋼枕3種。然而，傳統(tǒng)軌枕的性能存在缺陷，并且其生產(chǎn)使用中或廢棄后造成了一系列環(huán)境問(wèn)題[2-3]。如木枕的生產(chǎn)需要消耗大量?jī)?yōu)質(zhì)木材，且進(jìn)行防腐處理時(shí)，使用的化學(xué)防腐劑會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定危害[4]。而對(duì)于鋼枕和混凝土枕，混凝土和鋼材的生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)排放大量溫室氣體。因此，世界各地研究人員積極開(kāi)發(fā)能代替?zhèn)鹘y(tǒng)軌枕的新材料軌枕。近年來(lái)，隨著化工和循環(huán)再生技術(shù)不斷發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了以玻璃纖維、聚氨酯、橡塑、橡膠、樹(shù)脂等復(fù)合材料為原料的復(fù)合軌枕[5-7]。與傳統(tǒng)軌枕相比，復(fù)合軌枕設(shè)計(jì)應(yīng)用靈活、安裝運(yùn)輸方便，彈性好，減振降噪性能好，在絕緣性、耐腐蝕性、抗老化性等性能方面有相對(duì)優(yōu)勢(shì)，且可回收再利用[5-6]。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，雖然復(fù)合軌枕的生產(chǎn)成本較高且成本隨纖維含量的增大而增大，但復(fù)合軌枕全壽命周期成本有望達(dá)到甚至低于傳統(tǒng)軌枕。此外，復(fù)合軌枕可任意切割、拼接、組合，突破預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕?xiàng)l形單一結(jié)構(gòu)。同時(shí)復(fù)合軌枕無(wú)混凝土保護(hù)層問(wèn)題，可在軌枕外表面形成各種紋理、刻痕等。因此，復(fù)合軌枕是傳統(tǒng)軌枕合適的替代品。

然而，與預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕相比，復(fù)合軌枕質(zhì)量較輕且表面光滑，因此道床橫向阻力不足是其面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。而道床橫向阻力作為有砟道床力學(xué)特性重要參數(shù)和控制指標(biāo)，對(duì)軌道幾何形位及無(wú)縫線路穩(wěn)定性有著重要的影響[1]。美國(guó)運(yùn)輸技術(shù)中心(TTCI)試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合軌枕和木枕橫向阻力比較接近，低于預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕[8]。FFU合成軌枕在廣州地鐵4號(hào)線使用之初，也出現(xiàn)道床阻力較小，在道床條件不好地段軌道穩(wěn)定性不足的問(wèn)題[9]。

提升復(fù)合軌枕道床橫向阻力，可從道床及軌枕兩方面入手。道床方面包括增大砟肩尺寸、優(yōu)化道砟級(jí)配等[10-12]，而軌枕方面包括軌枕材質(zhì)、質(zhì)量、外形結(jié)構(gòu)等[13-15]。針對(duì)復(fù)合軌枕道床阻力不足的問(wèn)題，美國(guó)鐵路工程和維修協(xié)會(huì)手冊(cè)(AREMA)建議在復(fù)合軌枕表面設(shè)置紋理以提高復(fù)合軌枕橫向阻力，并指出沒(méi)有表面紋理的復(fù)合軌枕的道床橫向阻力值最高僅為8.9 kN，而有表面紋理的復(fù)合軌枕道床橫向阻力可達(dá)17.8 kN或更高[15]。廣州地鐵采取軌枕兩端增加垂向鋼板和地錨拉桿措施，解決了4號(hào)線FFU合成軌枕道床阻力不足的問(wèn)題[9]。然而，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于道床橫向阻力的研究大多針對(duì)傳統(tǒng)軌枕，針對(duì)復(fù)合軌枕的研究相對(duì)欠缺。

與此同時(shí)，本文僅針對(duì)于復(fù)合軌枕橫向阻力研究，主要原因?yàn)?，橫向阻力引起的無(wú)縫線路失穩(wěn)最為危險(xiǎn)，同時(shí)影響因素多，尤其是砟肩和枕底部位。相對(duì)而言，縱向阻力影響因素較少，且主要取決于枕心道砟飽滿度和密實(shí)度，如枕心約占縱向阻力70%[1]。

針對(duì)復(fù)合軌枕道床橫向阻力不足的問(wèn)題，提出多種復(fù)合軌枕結(jié)構(gòu)優(yōu)化及細(xì)部?jī)?yōu)化方案，開(kāi)展一系列原型、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕，以及Ⅲ型混凝土軌枕道床橫向阻力試驗(yàn)研究。在此基礎(chǔ)上，定量分析原型復(fù)合軌枕和Ⅲ型混凝土軌枕道床橫向阻力差異，確定砟肩尺寸對(duì)道床橫向阻力的影響，研究結(jié)構(gòu)優(yōu)化及細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕橫向阻力提升情況。

1 材料及方法

1.1 復(fù)合軌枕

本文測(cè)試采用由連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)改性氨基甲酸乙酯樹(shù)脂發(fā)泡而成的新型FFU軌枕。原型復(fù)合軌枕(條狀)尺寸為2 600 mm×260 mm×260 mm。為增加復(fù)合軌枕橫向阻力，綜合考慮成本及可行性等因素，提出多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化及細(xì)部?jī)?yōu)化方案。本文測(cè)試所用復(fù)合軌枕如圖1所示。

圖1 復(fù)合軌枕

研究表明，條狀軌枕的道床阻力主要包括三部分：軌枕兩側(cè)阻力，砟肩端頭阻力以及軌枕底部阻力；軌枕兩側(cè)提供道床阻力一般為總值的15%～20%，具有較大提升空間[10，16-17]。因此，在不影響搗固維修情況下，為增大軌枕側(cè)面與道砟顆粒相互作用和擾動(dòng)范圍，設(shè)計(jì)了2種結(jié)構(gòu)優(yōu)化復(fù)合軌枕。

A1型：軌枕中部?jī)蓚?cè)設(shè)置塊狀凸起；

A2型：承軌臺(tái)兩側(cè)設(shè)置塊狀凸起。

塊狀凸起結(jié)構(gòu)的寬度(沿軌枕寬度方向)為60 mm，約為一個(gè)道砟顆粒最大粒徑。長(zhǎng)度(沿軌枕長(zhǎng)度方向)為60 mm，可保證凸起結(jié)構(gòu)自身及與軌枕粘接面有足夠強(qiáng)度。高度與軌枕高度相同，為260 mm。凸起結(jié)構(gòu)材料與復(fù)合軌枕材料相同，制作成型后使用專用膠加壓粘貼于復(fù)合軌枕上，粘接面具有足夠抗剪強(qiáng)度，結(jié)實(shí)可靠，可保證試驗(yàn)過(guò)程中不發(fā)生破壞。2種結(jié)構(gòu)優(yōu)化復(fù)合軌枕及其尺寸見(jiàn)圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化復(fù)合軌枕(單位：mm)

本文所設(shè)計(jì)的細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕是在復(fù)合軌枕表面設(shè)置條形凸起紋理，以增加與道砟咬合和擾動(dòng)。2種細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕如下。

B1型：軌枕底面設(shè)凸起紋理。

B2型：軌枕底面及兩側(cè)面設(shè)凸起紋理。

凸起紋理寬度及厚度的取值參考了國(guó)外多種復(fù)合軌枕表面紋理尺寸，并考慮到加工制作的方便，均取10 mm。凸起紋理間隔為100 mm，大于兩個(gè)道砟平均粒徑。軌枕底面凸起紋理長(zhǎng)度為240 mm，比復(fù)合軌枕底面寬度減少20 mm，可避免磕碰。軌枕側(cè)面凸起紋理高度為200 mm，比復(fù)合軌枕側(cè)面高度降低60 mm，可避免磕碰并保證略高于枕心道砟。2種細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕如圖3所示。

圖3 細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕(單位：mm)

1.2 道床

本文試驗(yàn)道床厚度350 mm，邊坡坡度1:1.75，軌枕間距600 mm，枕心道砟飽滿。道砟材質(zhì)為水洗玄武巖，道砟粒徑級(jí)配曲線如圖4所示，各項(xiàng)指標(biāo)均符合一級(jí)道砟要求[18]。

圖4 道砟級(jí)配曲線

布置過(guò)程中為保證道床密實(shí)、堆砟飽滿，鋪設(shè)時(shí)采用分層夯實(shí)方法，使用110型電動(dòng)平板夯實(shí)機(jī)，350 mm厚道床分4層進(jìn)行鋪設(shè)夯實(shí)。軌枕放置后，砟肩和枕心道砟分3層進(jìn)行夯實(shí)。為保證試驗(yàn)對(duì)比準(zhǔn)確，所有工況嚴(yán)格采用相同夯實(shí)方法和參數(shù)。需要注明的是，本文阻力測(cè)試道床并未經(jīng)列車運(yùn)營(yíng)碾壓密實(shí)。

1.3 試驗(yàn)工況

本文研究原型復(fù)合軌枕與Ⅲ型混凝土軌枕道床橫向阻力的差異，并明確砟肩寬度、堆高對(duì)復(fù)合軌枕道床橫向阻力的影響，重點(diǎn)分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化及細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕相對(duì)于原型復(fù)合軌枕道床橫向阻力提升效果。本文選取軌枕類型、砟肩寬度、砟肩堆高為測(cè)試變量，其余實(shí)驗(yàn)道床參數(shù)均取定值。試驗(yàn)工況設(shè)置如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況

1.4 道床橫向阻力試驗(yàn)

道床橫向阻力試驗(yàn)采用現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試方法。試驗(yàn)采用分級(jí)加載方式，每種工況進(jìn)行3次試驗(yàn)，將多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)取均值，得到最終試驗(yàn)結(jié)果，并根據(jù)測(cè)試所得數(shù)據(jù)繪制道床橫向阻力-軌枕位移曲線圖，位移取至4 mm，取各工況下取軌枕位移為2 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的阻力值作為道床橫向阻力代表值[13]。每次測(cè)試完成后，對(duì)道床重新進(jìn)行整形、夯實(shí)，再進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。

試驗(yàn)儀器為：自制反力架、100 kN液壓千斤頂、輪輻式壓力傳感器、30 mm量程千分表、INV1861A型應(yīng)變調(diào)理儀、INV3018A型數(shù)據(jù)采集儀?，F(xiàn)場(chǎng)阻力測(cè)試如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)阻力測(cè)試

2 結(jié)果與分析

2.1 原型復(fù)合軌枕

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的Ⅲ型混凝土軌枕及原型復(fù)合軌枕道床橫向阻力-軌枕位移曲線分別如圖6、圖7所示。取軌枕位移為2 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的橫向阻力值，原型復(fù)合軌枕與Ⅲ型混凝土軌枕的道床橫向阻力對(duì)比如圖8所示(橫坐標(biāo)表示工況，如500-150表示砟肩寬度為500 mm，砟肩堆高為150 mm，下同)。結(jié)果表明，原型復(fù)合軌枕橫向阻力為5.97～8.42 kN，Ⅲ型混凝土枕橫向阻力為7.57～10.25 kN。在相同道床斷面參數(shù)下，原型復(fù)合軌枕與Ⅲ型混凝土枕的橫向阻力相差1.37～1.89 kN，原型復(fù)合軌枕橫向阻力為Ⅲ型混凝土枕的78%～84%。綜上，原型復(fù)合軌枕道床橫向阻力低于Ⅲ型混凝土軌枕。

圖6 Ⅲ型混凝土軌枕位移-阻力曲線

圖7 原型復(fù)合軌枕位移-阻力曲線

圖8 原型復(fù)合軌枕與Ⅲ型軌枕橫向阻力對(duì)比

增加砟肩尺寸，是提高軌道橫向穩(wěn)定性的重要措施之一，其中包括砟肩寬度和堆高兩方面。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，以原型復(fù)合軌枕為例，研究砟肩寬度、堆高對(duì)道床橫向阻力的影響。砟肩堆高、砟肩寬度對(duì)條形復(fù)合軌枕道床橫向阻力的影響如表2、表3所示。

表2 砟肩堆高對(duì)原型復(fù)合軌枕橫向阻力影響

表3 砟肩寬度對(duì)原型復(fù)合軌枕橫向阻力影響

由表2可得，當(dāng)砟肩寬度一定，砟肩堆高由0 mm增至150 mm時(shí)，原型復(fù)合軌枕道床橫向阻力隨之增大。當(dāng)砟肩寬度分別為300,400 mm及500 mm時(shí)，砟肩堆高造成的阻力增量分別是0.70，0.65 kN及0.80 kN，增幅分別為11.7%，9.2%及10.5%。且不同砟肩寬度下，增大砟肩堆高造成的道床橫向阻力增量基本一致。

由表3可得，砟肩堆高相同時(shí)，原型復(fù)合軌枕道床橫向阻力隨砟肩寬度增大而增大。當(dāng)砟肩堆高為0 mm時(shí)，砟肩寬度由300 mm增大到500 mm時(shí)，每加寬100 mm，道床橫向阻力分別增大1.09 kN和0.56 kN，增幅分別為18.3%和7.9%。當(dāng)砟肩堆高為150 mm時(shí)，砟肩寬度由300 mm增大到500 mm時(shí)，每增大100 mm，橫向阻力分別增長(zhǎng)1.04 kN和0.71 kN，即增幅為15.6%和9.2%。且可知，隨著砟肩寬度的增大，道床橫向阻力增幅減小，與國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究一致[1，10，19]。

另外結(jié)合圖8分析可得，原型復(fù)合軌枕道床橫向阻力提升規(guī)律與Ⅲ型混凝土枕大致相同：道床橫向阻力隨砟肩堆高及砟肩寬度增大而增大。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化復(fù)合軌枕

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的不同道床斷面尺寸下A1型、A2型結(jié)構(gòu)優(yōu)化復(fù)合軌枕位移-阻力曲線，分別如圖9、圖10所示。選取軌枕位移為2 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的道床橫向阻力，A1型、A2型結(jié)構(gòu)優(yōu)化復(fù)合軌枕道床橫向阻力如圖11所示。

圖9 A1型結(jié)構(gòu)優(yōu)化復(fù)合軌枕位移-阻力曲線

圖10 A2型結(jié)構(gòu)優(yōu)化復(fù)合軌枕位移-阻力曲線

圖11 結(jié)構(gòu)優(yōu)化復(fù)合軌枕道床橫向阻力

由試驗(yàn)結(jié)果可得，不同道床幾何斷面下，A1型結(jié)構(gòu)優(yōu)化復(fù)合軌枕道床橫向阻力為6.66～9.34 kN，A2型結(jié)構(gòu)優(yōu)化復(fù)合軌枕道床橫向阻力為6.88～9.79 kN。相同條件下，A2型復(fù)合軌枕相比于A1型復(fù)合軌枕道床橫向阻力可高出3%～5%。

3種道床幾何斷面下，A1型結(jié)構(gòu)優(yōu)化復(fù)合軌枕相對(duì)于原型復(fù)合軌枕橫向阻力可分別增大0.69，0.75，0.92 kN，增幅分別為11.6%，9.8%，10.9%；A2型結(jié)構(gòu)優(yōu)化復(fù)合軌枕相對(duì)于原型復(fù)合軌枕橫向阻力可分別增大0.91，1.21，1.37 kN，增幅分別為15.2%，15.9%，16.3%。

同時(shí)與Ⅲ型混凝土枕道床橫向阻力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，A1型結(jié)構(gòu)優(yōu)化復(fù)合軌枕橫向阻力約為Ⅲ型混凝土枕的88%～91%，A2型結(jié)構(gòu)優(yōu)化復(fù)合軌枕橫向阻力為Ⅲ型混凝土枕的91%～96%。

綜上，通過(guò)在復(fù)合軌枕側(cè)面增設(shè)塊狀凸起對(duì)軌枕側(cè)面局部加寬，可有效增大道床橫向阻力。其主要原因是，凸起翼緣可增大軌枕側(cè)面與道砟相互作用和擾動(dòng)范圍。且在承軌臺(tái)兩側(cè)設(shè)置凸起翼緣比在軌枕中部?jī)蓚?cè)設(shè)置翼緣道床橫向阻力可高出3%～5%。

2.3 細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的不同道床斷面尺寸下B1型、B2型細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕位移-阻力曲線分別如圖12、圖13所示。選取軌枕位移為2 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的道床橫向阻力，B1型、B2型細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕道床橫向阻力如圖14所示。

圖12 B1型細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕位移-阻力曲線

圖13 B1型細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕位移-阻力曲線

圖14 細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕道床橫向阻力

由試驗(yàn)結(jié)果可得，不同道床幾何斷面下，B1型細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕道床橫向阻力為6.56～9.27 kN，B2型細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕道床橫向阻力為7.11～9.86 kN。相同條件下，B2型復(fù)合軌枕相比于B1型復(fù)合軌枕道床橫向阻力可高出6%～9%。

3種道床幾何斷面下，B1型細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕相對(duì)于原型復(fù)合軌枕橫向阻力可分別增大0.59，0.62，0.85 kN，增幅分別為9.9%，8.1%，10.1%；B2型細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕相對(duì)于原型復(fù)合軌枕橫向阻力可分別增大1.14，1.39，1.44 kN，增幅分別為19.1%，18.2%，17.1%。

同時(shí)與Ⅲ型混凝土枕道床橫向阻力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，B1型細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕橫向阻力為Ⅲ型混凝土枕的87%～90%，B2型細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕橫向阻力為Ⅲ型混凝土枕的94%～97%。

綜上，在復(fù)合軌枕表面增設(shè)表面紋理可有效提高道床橫向阻力。其主要原因是表面紋理可增強(qiáng)軌枕表面和道砟顆粒之間接觸、咬合及嵌入。且本文建議在軌枕底面及兩側(cè)面同時(shí)設(shè)置紋理。

3 結(jié)論

由于復(fù)合軌枕自身密度和材質(zhì)原因，其道床橫向阻力較混凝土軌枕低。本文提出多種復(fù)合軌枕優(yōu)化方案，依托有砟道床試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了一系列原型、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕及Ⅲ型混凝土軌枕道床橫向阻力試驗(yàn)，對(duì)比原型復(fù)合軌枕和混凝土軌枕道床橫向阻力差距，揭示道床斷面對(duì)其橫向阻力影響規(guī)律，明確優(yōu)化后復(fù)合軌枕提升效果。具體研究結(jié)論如下。

(1)原型復(fù)合軌枕與Ⅲ型混凝土軌枕道床橫向阻力變化規(guī)律具有一致性；原型復(fù)合軌枕橫向阻力為相同條件下Ⅲ型混凝土軌枕道床橫向阻力的78%～84%，存在道床橫向阻力不足風(fēng)險(xiǎn)。

(2)與原型復(fù)合軌枕相比，結(jié)構(gòu)優(yōu)化及細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕均可提高道床橫向阻力，最高可達(dá)20%，能基本達(dá)到Ⅲ型混凝土軌枕道床橫向阻力。

(3)綜合考慮生產(chǎn)、維修、成本等因素，本文推薦采用B2型細(xì)部?jī)?yōu)化復(fù)合軌枕。