30 t轴重重载铁路有砟轨道道床结构设计研究

郄录朝

(中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

从国际重载铁路的发展看，重载铁路运输一般均通过增加车辆轴重和扩大列车编组数量提高运输能力和运输效率[1-2]。由于重载列车重量和长度增加，机车和车辆轴重提高，大幅增加了作用于线路上的荷载，轨道结构的破坏特性较一般传统线路更为显著[3]，对轨道结构和线下基础设施提出了更高要求。道床作为轨道结构的重要组成部分，是轨道框架的基础。道床提供轨道的纵横向阻力，保持轨道的稳定性；提供轨道的弹性，减缓和吸收轮轨的冲击和振动；提供良好的排水性能。若道床设计不合理，易引起路基和道床的病害，以及钢轨、轨枕、扣件等部件的伤损，缩短轨道部件使用寿命，增加养护维修工作量[4-5]。因此，重载铁路道床的设计十分重要。

1 道床结构形式

铁路碎石道床在结构上分为双层道床和单层道床。在我国，双层道床主要铺设在非渗水土路基地段，单层道床铺设于岩石、渗水土路基地段[6]。

双层碎石道床结构是将道床分为碎石面砟层和由砂、砾组成的道床垫砟层。双层碎石道床结构的具体铺设形式又分为底砟覆盖式双层道床结构和底砟满铺式双层道床结构(见图1(a)、图1(b))。底砟覆盖式双层道床结构是底砟层被上面的碎石道砟层所覆盖，路基肩部不铺底砟，故其路肩顶面的高度比底砟层表面高度相差一个底砟层厚度。底砟满铺式双层道床结构是将垫砟材料铺满整个路基表面，此时的路肩顶面即为底砟层表面。

单层碎石道床结构是指碎石道砟直接铺在岩石路基或渗水路基表面，不含底砟层。典型的单层道床结构见图1(c)。

图1 道床结构(单位：cm)

近年来我国铁路建设高速发展，路基结构与以往有了很大不同。在道床结构的选择上要和路基设计综合考虑，当路基基床采用承载能力较低的材料时，为了保证传递到基床表面的应力满足要求则需要较厚的道床，宜采用双层道床结构;当路基使用了承载能力较高的级配碎石作为基床表层时，宜按单层道床设计。

2 道床断面设计

重载铁路道床断面设计以满足道床的功能为目的。道床功能：①要有足够的厚度，使轨枕荷载通过道床的扩散，达到基床表面的应力在容许限度之内，同时还要提供必要的弹性及允许脏污的能力，保证与重载运输相匹配的维修工作量；②要有足够的平面尺寸，提供足够的纵横向阻力，以保持轨道结构的整体性和稳定性。为满足上述要求，决定道床断面的要素是道床厚度、道床肩部形式与尺寸和道床边坡[7]。

2.1 道床厚度

2.1.1 道床厚度确定原则

确定道床厚度时，通常要考虑道床弹性、道床脏污增长率、路基面承载能力3个因素。

1)道床弹性

道床弹性是指道床密实并形成散粒体骨架之后，由道床颗粒之间的接触弹性变形所决定的弹性性能。良好的弹性可保证轨道结构受力均匀、行车平稳，在荷载的作用下不会产生过大的残余变形。

整个道床层的弹性压缩等于各层道砟颗粒的弹性压缩之和[7]，用公式表示为

(1)

式中：Y0/2为枕底到表层颗粒中心范围内的弹性压缩；YCP为各层颗粒中心距缩短量的平均值；h为碎石道床厚度；d为道砟颗粒直径；a为考虑实际道砟粒径、形状、级配时可能出现的尖点接触及颗粒受弯而引入的弹性变形增长系数，该系数可取4～5。

道床的弹性与道床厚度成正比，保证必要的道床弹性必须要求有足够的道床厚度。现场实测道床刚度结果表明，普通路基地段道床厚度在25 cm以上时即可提供足够的弹性，而在石质路基、桥隧等刚性基础地段，由于基础弹性差则需要更厚的道床来保证轨道的整体弹性。

2)道床脏污增长率

道床厚度降低，道床的弹性变差，列车荷载对道床的冲击作用会增大。在相同的运营条件下道砟的粉碎、脏污加速，导致日常维修工作量加大，道床厚度降低，道床内的绝对孔隙减小，清筛周期也会大大缩短[8]。根据我国重载铁路现场测试结果[9]，在相同的运营条件下通过总重20 Mt、道床厚度30 cm时道床脏污率增长5.3%，道床厚度35 cm时道床脏污率增长1.4%。因此，为使轨道维修工作量控制在适当限度之内，必须要有足够的道床厚度。

3)路基面承载能力

路基面的工作应力除与轨枕压力有关之外，主要取决于道床的厚度。为保证路基面的强度要求，通常把增加道床厚度作为降低路基面应力的方法。

TB 2034—88《铁路轨道强度检算法》规定[10]，道床顶面压应力σz计算公式为

(2)

道床顶面压力在道床中按扩散角ψ向下传递(见图2)，不同道床厚度时基床表面压应力σL按下式计算。

(3)

图2 道床应力扩散图

2.1.2 道床顶面应力检算

我国重载铁路道床顶面和基床表面应力相关计算参数见表1，道床顶面应力计算结果见表2。

表1 重载铁路道床计算相关参数

表2 道床顶面应力

由表2可见：当轴重30 t时，无论采用Ⅲ型枕还是新型重载轨枕，道床顶面应力均未超过TB 2034—88规定的碎石道床顶面容许应力0.5 MPa，但相比25 t轴重运营条件下，道床顶面应力增加了约20%，道砟在此种运输条件下破碎和粉化将加快，养护维修工作量增大。因此30 t轴重重载铁路道床，在有条件时应优先选用特级材质的道砟，以提高道床耐久性，满足重载运输要求，减少养护维修工作量。

2.1.3 道床厚度的计算分析

根据道床弹性及道床脏污率的要求，可取道床最小厚度300 mm，最大厚度500 mm，分别按单层道床和双层道床进行30 t轴重荷载作用计算分析。不同道床厚度时道砟层底部应力计算值见表3、表4。

表3 单层道床道砟层底部应力 MPa

表4 双层道床面砟层底部应力 MPa

按TB 2034—88的规定，新建线路路基面的容许应力为0.13 MPa。在双层道床结构中底砟层是作为道床的一部分一起考虑，底砟层厚度为200 mm时道砟层厚度为300 mm已满足要求。单层道床厚度达到500 mm时方可满足要求。因此，在采用单层道床结构时，如果要降低道床的厚度，必须采用承载能力更高的级配碎石作为基床表层。

综合考虑道床弹性、路基的容许应力以及养护维修工作量的匹配，建议我国30 t轴重重载铁路采用双层道床时，底层道床厚度取200 mm，表层道床厚度取350 mm;采用单层道床时若道床厚度取350 mm，则须采用特级材质道砟，以增强道床承载力。

2.2 道床肩部形式及尺寸

2.2.1 道床肩部形式及尺寸对轨道垂向稳定性的影响

道床肩部平衡条件如图3所示。钢轨中心线至轨枕端头的长度bp范围内，轨枕作用到道床棱体Ⅰ上的压力为P，使得棱体Ⅰ沿滑动面EF向下滑动，并将棱体Ⅱ侧向挤出。

图3 道床肩部平衡条件示意

根据朗肯被动土压力理论，EF滑动面和FG滑动面与轨枕底面和枕端面的夹角均为π/4+φ/2，要阻止棱体Ⅱ的滑动(即道床肩部的破坏)，则要求棱体Ⅱ通过枕端垂直面作用到棱体Ⅰ上的被动压力Hn与通过枕端垂直作用到棱体Ⅱ上的主动压力Ha平衡。其极限平衡条件为

(4)

式中：P为轨枕悬出部分(自钢轨中心线至枕端面)枕底作用到道床顶面的压力;Q1为轨枕悬出部分以下的道床主动棱体Ⅰ的重量;Q2为道床肩部被动棱体Ⅱ的重量；C1为道床主动棱体Ⅰ滑动面上的位移阻力；C2为道床被动棱体Ⅱ滑动面上的位移阻力；φ为散粒体道床的内摩擦角。

由式(4)可知，在轨枕长度和道砟料给定的情况下，Q1,C1，C2，φ均为定值，唯一能提高P值的方法是增加道床肩部被动棱体Ⅱ的重量Q2值。增加道床肩宽及减缓道床边坡都对增大Q2值有利，但这将导致道砟用量的增加及路基面宽度的增加，增大工程投资。而增加砟肩堆高，不但可以增大Q2值，还不影响路基面的宽度，是一种经济有效的方案。

2.2.2 道床肩部形式及尺寸对轨枕横向阻力的影响

道床肩部形式及尺寸对轨枕横向阻力的影响主要表现在砟肩宽度和砟肩堆高。当轨枕承受横向阻力而产生横向位移时，枕端道床破坏面如图4所示。

图4 枕端道床破坏面示意

根据朗肯被动土压力理论，道床肩部破坏时，其破裂面BC与轨枕端面的夹角为π/4+φ/2，由三角形ABC可求得滑动道床棱体的宽度bt为

(5)

式中,hs为轨枕埋入道床的深度(重载Ⅳ型轨枕埋深约为195 mm)。

φ取35°,则bt=195×tg(45°+17.5°)=375 mm。可见，当道床肩宽超过375 mm时，过多加大道床肩宽对提高轨枕端部所提供的轨枕横向阻力效果不明显。

为分析不同道床肩宽对轨枕横向阻力的影响，在高速铁路轨道技术国家重点实验室铺设了重载Ⅳ型轨枕实尺模型轨道进行试验，测试结果见表5。可见，道床肩宽由300 mm增加到500 mm，轨枕横向阻力增加24%，当增大到500 mm以后轨枕横向阻力增大得不明显。

表5 不同砟肩宽度时Ⅳ型轨枕的横向阻力

针对重载Ⅳ型轨枕，在室内实尺模型进行了不同砟肩堆高对轨枕横向阻力影响的试验，测试结果见表6。道床肩宽400 mm时，增加堆高150 mm，轨枕横向阻力增加10%。

表6 砟肩堆高对Ⅳ型轨枕横向阻力的影响

综合理论计算及室内试验结果，建议我国重载铁路道床肩宽采用500 mm，砟肩堆高采用150 mm。

2.3 道床边坡

世界各国铁路所采用的道床边坡变化很大。在普速铁路上，前苏联、法国、英国为1∶1.5，我国为1∶1.75，美国为1∶2；在重载铁路上，澳大利亚、俄罗斯，瑞典为1∶1.5，我国大秦线为1∶1.75，美国为1∶2[7]。我国铁路道床边坡均采用1∶1.75，并有比较满意的使用效果，与国外重载铁路相比取值处于中间，建议在今后的重载线路上仍采用1∶1.75的道床边坡。

2.4 道床结构断面

考虑到线下基础的设计，提出我国一般路基段2种30 t轴重重载铁路有砟轨道道床结构断面，如图5所示。

图5 重载铁路有砟轨道路基段道床结构(单位：m)

3 30 t轴重荷载作用下道床实车试验

为验证提出的道床结构性能，按提出的道床参数在瓦日线铺设了重载铁路道床结构试验段。道床采用双层道床，道床厚度为350 mm+200 mm，道床肩宽500 mm，砟肩堆高150 mm，轨枕采用Ⅳ型轨枕，钢轨为75 kg/m钢轨。为便于对比分析在瓦日线既有道床结构(道床厚度300 mm+200 mm)同样布置了测点进行测试[11]。

3.1 安全性分析

1)大轴重货车通过重载道床结构测点时，测得的脱轨系数最大值为0.27,轮重减载率最大值为0.21,轮轴横向力最大值为37.1 kN。脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力均小于安全评判值。

2)在实车试验前，对新型重载Ⅳ型轨枕进行了单根轨枕横向阻力测试，测试结果见表7。可见其满足无缝线路稳定性所需的12 kN/枕的要求。

表7 重载Ⅳ型轨枕横向阻力测试结果 kN

3.2 不同道床厚度轨道结构受力分析

30 t轴重试验列车(1.2万t)通过时，实测垂直力、支点压力、道床底面应力分别见表8—表10。

表8 试验列车车辆通过时的垂直力 kN

表9 试验列车车辆通过时的支点压力 kN

表10 试验列车通过时道床底面的应力 kPa

对垂直力和支点压力取总体平均值予以对比，见图6。可见，2种轨道结构实测垂直力和支点压力无明显区别，分配系数基本相当。

图6 垂直力和支点压力对比

对道床应力取总体平均值予以对比。其中既有轨道结构道床厚300 mm，新型轨道结构道床厚350 mm。道床底面应力既有轨道结构为206.4 kPa，新型轨道结构为126.2 kPa，道床厚度采用350 mm相比道床厚度300 mm可降低道床底面应力38.8%,效果明显。

4 结论与建议

1)基于基床表层的设计，提出了30 t轴重重载铁路2种道床结构。当路基采用传统的设计或基床表层采用承载能力较低的填料时，道床结构应采用双层道床结构；当路基基床表层采用承载能力较高的级配碎石时，道床可设计为单层道床结构。

2)根据理论计算和室内试验结果，提出了我国30 t 轴重重载铁路道床断面关键参数：道床厚度采用350 mm，砟肩宽度500 mm，砟肩堆高150 mm，道床边坡1∶1.75。

3)针对提出的道床结构铺设了现场试验段，开展了30 t轴重列车实车试验。试验结果表明，提出的道床结构可满足列车运营的安全性，能够保证无缝线路稳定性所需的横向阻力，可大大降低道床底面的应力，保护基床不受破坏。

4)建议后期加强对铺设的重载铁路道床试验段的观测，分析其在30 t轴重列车长期荷载作用下的变化规律及养护维修工作量，并根据现场应用情况对道床断面设计进行改进。