Experiments Study on Longitudinal and Lateral Resistance of Steel Rod Reinforced Sleeper
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摘要:
为了探究钢棒加强式轨枕的纵横向阻力机理、分担以及钢棒插入深度和砟肩宽度的影响规律，为川藏铁路长大坡道韧性和稳定性增强提供新方法，通过进行一系列纵横向阻力试验得到了钢棒加强式轨枕纵横向阻力的总体特性和分担情况；通过改变钢棒插入深度和砟肩宽度探究了两者对钢棒加强式轨枕纵横向阻力的影响规律. 结果表明：与普通轨枕相比，钢棒加强式轨枕的纵横向阻力都有提高，当砟肩宽度为500 mm，堆高为0，钢棒插入深度为400 mm时，钢棒加强式轨枕纵横向阻力比肩宽为500 mm、堆高为150 mm条件下普通轨枕分别高39.2%和53.7%，枕底部分横向阻力分担比普通轨枕提升8%，纵向阻力提升26%；钢棒插入深度对道床阻力影响较大，在砟肩宽度为500 mm、堆高为0 时，插入深度由100 mm变至400 mm，相较于普通轨枕肩宽为500 mm、堆高为150 mm的工况，纵向阻力增幅由5.1%变至39.2%，横向阻力增幅由6.1%变至53.7%；砟肩宽度变化时，纵向阻力变化较小，横向阻力变化较大.
Abstract:In order to explore the longitudinal and lateral resistance mechanism, contribution and influence of steel rod depth and shoulder width of steel rod reinforced sleeper, and to provide a new method for increasing resilience and stability of the long sharp slope in Sichuan−Tibet railway, a series of longitudinal and lateral resistance tests were carried out. Firstly, the overall characteristics and contribution of the longitudinal and lateral resistance of the steel rod reinforced sleeper were obtained. Then, by changing steel rod depth and shoulder width, the influence of them on the longitudinal and lateral resistance of the steel rod reinforced sleeper was explored. The results show that, compared with ordinary sleepers, the longitudinal and lateral resistance of steel rod reinforced sleeper has increased. With the shoulder with of 500 mm, shoulder height of 0 and insertion depth of 400 mm, the lateral resistance of steel rod reinforced sleeper is 53.7% higher than that of ordinary sleepers with shoulder width of 500 mm and pile height of 150 mm, and longitudinal resistance is 39.2% higher. At the same time, the contribution of sleeper bottom in lateral resistance is 8% higher compared with ordinary sleepers, with 26% higher in longitudinal resistance. The insertion depth of the steel rod exerts a great influence on the resistance. For instance, with shoulder width of 500 mm and shoulder height of 0, when insertion depth changes from 100 mm to 400 mm, the increment of longitudinal is from 5.1% to 39.2%, and that of lateral resistance is from 6.1% to 53.7%, compared with ordinary sleepers with shoulder width of 500 mm and shoulder height of 150 mm. With the change of the shoulder width, the longitudinal resistance changes slightly and the lateral resistance changes more.
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Key words:
- Sichuan−Tibet railway /
- ballast bed /
- bed resistance /
- steel rod reinforced sleeper
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道床阻力对保持轨道几何形位及确保无缝线路稳定十分重要，是有砟道床力学特性重要参数指标[1]. 横向阻力可以保证列车行驶过程中的安全性和舒适性，防止无缝线路发生胀轨跑道[2]；纵向阻力则帮助道床防止轨道框架发生纵向位移，抵抗钢轨伸缩、防止线路爬行[3]. 道床纵横向阻力受道砟材质、颗粒级配和道床断面等影响[4].
随着重载和高速有砟道床发展以及应用环境和技术条件复杂化，针对道床纵横向阻力出现了更高要求，尤其是在某些特殊地段，如温差过大、长大坡道、地震多发等区段，这种情况在川藏铁路上尤为突出[5].
轨道所受纵向力主要有两个来源：首先是列车行驶过程中，车轮施加给钢轨的摩擦力，包括行驶过程中的力及牵引力和制动力；其次是坡道在轨道上的分力[5]. 而川藏铁路沿线地质条件极为复杂，地势高低起伏较大，存在很多长大坡道地段[6]. 此时，第二种纵向力会出现较大增长，导致长轨条在变坡点、曲线起讫点与制动地段等出现纵向压力峰，导致长轨条纵向爬行[5]. 同时，川藏铁路不同区域气温变化十分明显，跨区间无缝线路轨道结构会出现循环往复的变化[7]. 而在重复荷载下扣件阻力会出现衰减，甚至造成轨下胶垫窜出，从而影响无缝线路的稳定性[8].
目前主要有两类解决方案提高道床阻力：第一类为道床层增强措施，如使用沥青道床或胶黏道床. 黄长绥等[9]通过沥青道床现场试验，在同一路段上测得普通碎石道床混凝土轨枕横向阻力为6.5 kN，纵向阻力为7.1 kN，而沥青道床混凝土轨枕纵横向阻力均达到50.0 kN以上. 井国庆等[10]通过在轨枕端部和轨枕中部喷涂聚氨酯，设计不同固化方案，并进行横向阻力试验，结果显示最低可提升道床横向阻力31.0%. 但上述方法容易破坏道床散体性，对捣固维修造成极大影响.
第二类为轨枕层面增强措施，如使用梯形轨枕、摩擦型轨枕或钉子式轨枕、国内学者通过现场在条形混凝土轨枕两侧增设混凝土块制成异型轨枕，并测量其横向阻力，结果表明，与相同工况下条形轨枕相比，异型轨枕的道床横向阻力比条形轨枕高约21.0%[11]. 伊朗研究表明[12]，使用在底部增加波浪形摩擦条纹的混凝土轨枕可增强道床横向阻力约64.0%. 国内针对梯形轨枕进行试验[13]，均为平肩式时，梯形轨枕比Ⅲ型混凝土轨枕横向阻力高约55.0%，但质量过大，运输不便，捣固维修困难. Esmaeili等[14]提出采用长钉插入式轨枕，用长钢钉将轨枕钉入有砟道床及路基，并通过试验测得钢钉插入式轨枕横向阻力最多可提高至200.0%，但并未对道床纵向阻力测试，同时其长钉插入路基仅适用干旱地区.
本文为服务川藏铁路大坡道、温差大、地震带特殊线路条件，基于中国铁路标准优化钢棒加强式轨枕，并针对钢棒加强式轨枕进行试验研究，研究道床纵横向阻力特性，比较分析钢棒加强式轨枕与普通轨枕道床阻力演变规律，研究其道床阻力分担与机理，为今后在川藏铁路以及其他特殊工况应用奠定基础.
1. 材料及方法
1.1 道床阻力试验
本试验取位移为2 mm时阻力值为道床阻力，每种工况进行3次试验，3个结果取平均值作为最终阻力值. 每种工况试验过程中采用液压千斤顶分级加载，并通过轮辐式压力传感器将数据传输至数据采集仪，在另一侧用精度为0.001 mm的位移计采集位移信息. 每次试验完成后对道床整形、捣固以及夯实，再继续试验.
1.2 试验材料
本试验所用有砟轨道全长16 m，枕下厚度为350 mm，底砟厚度为250 mm，边坡坡度为1∶1.75，砟肩形状根据工况设置. 采用III型混凝土枕和钢棒加强式混凝土枕，轨枕间距600 mm. 道床所用道砟级配符合我国TB 2140—2008新建一级道砟标准，材料为花岗岩. 在铺设过程中采用电动平板夯实机将道床分层夯实以确保其密实，且所有工况都采用相同夯实方法从而使各种工况下道床密实度相近，此为确保试验准确的关键操作.
试验所用钢棒加强式混凝土轨枕基于我国Ⅲ型混凝土轨枕制造，大体上是在Ⅲ型轨枕的中部对称位置设置两个一定尺寸的孔洞. 具体方法为，当Ⅲ型混凝土轨枕完成振捣后，在轨枕中部特定位置放入模具，然后进行养护. 混凝土轨枕中部孔洞直径为40 mm，一侧孔洞圆心距离轨枕中心线400 mm，两孔洞圆心距离为800 mm. 试验所用的钢棒直径35 mm，表面有网状螺纹，通过硬质填充物固定于轨枕特定位置. 钢棒加强式轨枕及钢棒如图1所示.
1.3 试验工况
本文研究钢棒加强式轨枕纵横向阻力以及插入深度对轨枕道床阻力影响，并与同等道床断面条件下普通轨枕作对比. 研究目的是采用钢棒插入增强道床阻力，进而采用平肩及宽度缩短砟肩，因此插入深度、肩宽为测试变量，与普通轨枕在肩宽500 mm、堆高150 mm断面下进行对比分析. 测试变量设置如图2所示，工况设置如表1所示，共计12种工况.
表 1 试验工况Table 1. Test conditionsmm 试验类型 轨枕类型 肩宽 >堆高 插入深度 横向阻力 普通轨枕 500 150 钢棒加强式 500 0 400 500 0 200 500 0 100 400 0 400 300 0 400 纵向阻力 普通轨枕 500 150 钢棒加强式 500 0 400 500 0 200 500 0 100 400 0 400 300 0 400 2. 结果与分析
2.1 纵横向阻力总体特性
选取工况：钢棒加强式轨枕钢棒插入深度为400 mm、肩宽为500 mm、堆高为0；普通条形混凝土轨枕肩宽为500 mm、砟肩堆高为150 mm. 道床阻力随轨枕位移变化的曲线如图3所示. 由图3（a）中可知：两种轨枕道床横向阻力均随轨枕位移的增大而增大；轨枕位移达到1.5 mm前，横向阻力增长速度较快；位移达到1.5 mm后，横向阻力仍然增大但增大速度变慢；位移达4.0 mm后，横向阻力趋于平缓；当轨枕位移为2.0 mm时，前者横向阻力比后者高约53.7%.
道床纵向阻力随轨枕位移变化如图3（b）所示. 由图中可知：道床纵向阻力随轨枕位移的增大而增大；与横向阻力增长类似，轨枕位移达到2.0 mm前，纵向阻力增长速度较快；位移达到2.0 mm后，纵向阻力仍然增大但增大速度变慢；位移达到4.0 mm后，纵向阻力趋于平缓；当轨枕位移为2.0 mm时，前者纵向阻力比后者高约39.2%.
2.2 纵横向阻力分担
对条形轨枕来说，道床阻力主要由3部分组成. 本文分别通过3组道床阻力试验取均值研究钢棒加强式轨枕阻力分担，并与相同工况下普通轨枕作对比，见表2.
表 2 道床阻力分担Table 2. Resistance contribution阻力
部分钢棒加强式 普通轨枕 横向阻力/
kN横向阻力所占
比例/%纵向阻力/
kN纵向阻力所占
比例/%横向阻力/
kN横向阻力所占
比例/%纵向阻力/
kN纵向阻力所占
比例/%枕底 10.24 62 8.62 46 4.49 54 2.60 20 砟肩 3.96 24 1.12 6 2.58 31 1.06 8 枕心 2.31 14 8.99 48 1.24 15 9.54 72 总值 16.51 100 18.73 100 8.31 100 13.2 100 2.3 插入深度
相比普通条形混凝土轨枕，设置钢棒加强式轨枕肩宽500 mm，堆高0. 钢棒插入深度对横向阻力影响如图4（a）所示. 由图可知：插入深度对横向阻力影响明显；取轨枕位移为2.0 mm，当钢棒插入道床100 mm时，横向阻力增加约0.83 kN，约6.1%；插入200 mm时增加约2.37 kN，约19.1%；插入400 mm时增加约6.65 kN，约53.7%.
钢棒插入深度对纵向阻力影响如图4（b）所示. 由图可知：取轨枕位移为2.0 mm，当钢棒插入道床100 mm时纵向阻力增加约0.77 kN，约5.1%；插入200 mm时增加约2.27 kN，约15.2%；插入400 mm时增加约5.87 kN，约39.2%.
2.4 砟肩宽度
肩宽对横向阻力影响如图5（a）所示. 由图可知：肩宽对横向阻力影响较大；对钢棒加强式轨枕，当轨枕位移为2 mm，肩宽由300 mm变为500 mm时，横向阻力增加约2.52 kN，约15.3%；当肩宽为300 mm时，钢棒加强式轨枕横向阻力比普通轨枕高4.13 kN，约33.4%.
肩宽对纵向阻力影响如图5（b）所示，由图可知：肩宽对纵向阻力影响较小；对钢棒加强式轨枕，取轨枕位移为2.0 mm，当砟肩宽度由300 mm增大至500 mm时，纵向阻力增加2.1 kN，约11.2%；当砟肩宽度为300 mm时，钢棒加强式轨枕纵向阻力比普通轨枕高3.77 kN，约25.2%.
3. 结 论
本文通过设计、优化我国标准Ⅲ型轨枕，通过在轨枕生产过程中于轨枕中部预留孔洞，制作钢棒加强式轨枕. 开展道床阻力试验测试，比较普通轨枕及钢棒加强式轨枕纵横向阻力，主要结论如下：
1） 钢棒加强式轨枕对轨枕纵横向阻力均有很大提升. 如相比于普通混凝土轨枕（肩宽500 mm，堆高150 mm），钢棒加强式轨枕（肩宽为500 mm，堆高0，钢棒插入深度为400 mm）的横向阻力提升约53.7%，纵向阻力提升约39.2%.
2） 钢棒插入深度对轨枕纵横向阻力有较大影响. 对钢棒加强式轨枕，钢棒插入深度由100 mm变化至400 mm时，相比于普通混凝土轨枕客货共线标准断面，道床横向阻力增量由6.1%变至53.7%，纵向阻力增量由5.1%变至39.2%.
3） 钢棒加强式轨枕可以提高轨枕底部对道床纵横向阻力贡献，进而可降低砟肩堆高和宽度. 因此在长大坡道及小半径曲线段保证道床阻力前提下，使用钢棒加强式轨枕可以使断面更窄，用砟量更少. 如当钢棒加强式轨枕肩宽为300 mm，砟肩堆高0，插入深度400 mm时，其纵横向阻力均高于普通条形混凝土轨枕.
钢棒加强式轨枕能够显著增强道床纵横向阻力，对于提高纵横向阻力、减小道床断面尺寸和道砟用量、降低建设成本具有一定意义，尤其对空间紧凑无缝线路建设提供了新思路. 本研究结果对长大坡道钢轨爬行及胀轨跑道防治具有一定参考价值. 同时，该方法能够在不影响道床捣固维修前提下加强道床纵横向阻力.
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表 1 试验工况
Table 1. Test conditions
mm 试验类型 轨枕类型 肩宽 >堆高 插入深度 横向阻力 普通轨枕 500 150 钢棒加强式 500 0 400 500 0 200 500 0 100 400 0 400 300 0 400 纵向阻力 普通轨枕 500 150 钢棒加强式 500 0 400 500 0 200 500 0 100 400 0 400 300 0 400 
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表 2 道床阻力分担
Table 2. Resistance contribution
阻力
部分钢棒加强式 普通轨枕 横向阻力/
kN横向阻力所占
比例/%纵向阻力/
kN纵向阻力所占
比例/%横向阻力/
kN横向阻力所占
比例/%纵向阻力/
kN纵向阻力所占
比例/%枕底 10.24 62 8.62 46 4.49 54 2.60 20 砟肩 3.96 24 1.12 6 2.58 31 1.06 8 枕心 2.31 14 8.99 48 1.24 15 9.54 72 总值 16.51 100 18.73 100 8.31 100 13.2 100
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