彈性軌枕+道砟墊有砟軌道疲勞性能試驗研究

閆 雪,沈毓婷,耿 浩,霍新偉

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031； 2.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)

隨著國內鐵路大規模建設，高速、重載鐵路已成為我國鐵路發展的主流。有砟軌道在我國時速250 km及以下的高速鐵路中普遍使用，但在橋梁、隧道、涵洞等特殊區段，由于其下部基礎一般為混凝土材料，自身剛度較大，在高速重載列車的反復作用下會加快道砟粉化速率，增加養護維修工作量及其費用[1-3]。為降低軌道整體剛度，減輕輪軌相互作用，減少道砟粉化，鋪設彈性軌枕、合成軌枕及道砟墊等提高軌道結構彈性的措施得以推廣。我國《高速鐵路設計規范》(TB10621—2014)以及《重載鐵路設計規范》(TB10625—2017)中均規定“在橋隧等特殊區段鋪設有砟軌道時宜采用彈性軌枕或鋪設砟下彈性墊層即道砟墊”，以減小軌道整體剛度，減緩道砟粉化速率[4-5]。

目前國內外學者針對彈性軌枕及道砟墊進行了一定程度的研究，文獻[1]介紹了日本學者對彈性軌枕與普通軌枕兩種軌道結構進行的疲勞試驗研究，得出彈性軌枕有砟軌道道床下沉量遠小于普通軌枕有砟軌道，且枕下膠墊耐久性良好。文獻[6]中德國學者對枕下膠墊進行室內試驗測試其靜載、動載模量，并通過現場試驗測試其減振效果。文獻[7-8]采用有限元方法分析了橋上、涵洞地段鋪設彈性軌枕的動力響應。文獻[9-12]通過現場試驗，分析了橋上、涵洞區段彈性軌枕有砟軌道相對于普通軌枕有砟軌道的靜、動力學特性。文獻[13]通過室內實尺模型試驗，比較了彈性軌枕與普通軌枕有砟軌道在靜載作用下的道床橫向阻力、軌道支承剛度，以及在疲勞荷載下道床沉降高度和枕下膠墊的耐久性能。文獻[14-16]采用有限元方法計算分析了道砟墊對橋梁和涵洞區段有砟軌道動力響應時頻特性的影響，并提出了道砟墊剛度的合理取值范圍。文獻[17-18]通過現場試驗，得出道砟墊的鋪設能夠明顯降低道床的受力和振動，提高軌道彈性。目前國內一般采取單一的提高軌道彈性的措施，并沒有彈性軌枕+道砟墊兩者組合的有砟軌道結構的應用實例，本文提出在橋、隧、涵等特殊區段或可嘗試應用該種軌道結構。而在現場鋪設前需考慮其疲勞特性，因此有必要對其疲勞性能進行試驗研究。

基于此，本文進行了彈性軌枕+道砟墊有砟軌道疲勞特性實尺模型試驗，試驗依據軌道結構實際受荷特點，通過對其施加300萬次周期循環荷載，測試其鋼軌、軌枕位移，軌距，道床沉降高度，輪軌力變化規律來反映軌道結構的疲勞特性，并觀測軌道結構疲勞損傷的發生、發展過程，本文研究成果可為以后的軌道應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗設備

本文試驗為彈性軌枕+道砟墊有砟軌道結構實尺模型疲勞試驗。試驗中通過AMSLER脈沖疲勞試驗機(圖1)施加疲勞荷載，疲勞機最大荷載500 kN，精度500 N，示值允許偏差≤1%。采用IMC動態數據采集儀，進行數據采集和分析，量程為32通道。

圖1 脈沖疲勞試驗機

1.2 模型鋪設

試驗之前首先進行有砟軌道的鋪設，彈性軌枕+道砟墊有砟軌道主要由CHN60鋼軌、彈條Ⅱ型分開式扣件、彈性軌枕、一級道砟、道砟墊組成。本文采用6根彈性軌枕進行試驗，由Ⅲ型混凝土枕+枕下膠墊組成，枕下膠墊靜剛度為70 kN/mm，枕下膠墊粘結過程嚴格按照廠家提供的作業指導書進行。試驗前對道砟進行清洗，粒徑分類，保證其性能要求。模型的鋪設按照現場施工要求，對道砟進行夯實、搗鼓，道砟截面尺寸滿足我國規范要求[19]。試驗采用道砟墊面剛度為0.1 N/mm3。軌道結構如圖2所示。

圖2 彈性軌枕有砟軌道

1.3 試驗荷載模擬及施加

在疲勞試驗中，試驗荷載如何準確地模擬列車荷載是保證試驗準確的重要因素。試驗荷載主要用來模擬高速列車在運行時輪對對鋼軌的反復沖擊作用。而輪軌相互作用是一個復雜的過程，作用力并非固定值，而是符合一定統計規律的隨機荷載。運用數理統計的方法對現場測試以及數值仿真所得的數據進行分析，表明作用力符合正態分布[20]。而試驗所采用的脈沖疲勞試驗機所施加的荷載只能為幅值確定的正弦荷載，本試驗參考文獻[20]中采用的方法，首先將列車荷載按正態分布的特征進行分級，再根據各級荷載所占頻率確定加載次數。

本試驗按照最不利的荷載貨車軸重25 t考慮，考慮一定安全因數，正弦幅值最大值為375 kN，最小值125 kN，加載頻率為4 Hz，疲勞次數為300萬次。荷載施加參考《高速鐵路扣件系統試驗方法 第4部分：組裝疲勞性能試驗》(TB/T 3396.4—2015)中所規定的試驗方法，加載點位于有砟軌道中央位置[21]。

1.4 試驗內容

本次試驗主要測試內容為：彈性軌枕+道砟墊有砟軌道在疲勞荷載作用下的鋼軌豎向和橫向位移，軌枕豎向位移，軌距，道床沉降高度以及加載點處輪軌力，并觀察鋼軌、軌枕、扣件、枕下膠墊及道砟墊在測試之后是否保持完好。測點位置如圖3所示，開始疲勞試驗前先進行預加載，檢驗加載設備、采集記錄儀器是否正常，以剔除原始條件的不確定性，然后連續加載300萬次，并進行數據的采集和存儲。試驗開始時首先記錄軌道初始狀態數據，以后每間隔30萬次采集和儲存數據。測試位移時，每次記錄位移后均重新歸零。

圖3 軌道結構布點示意

2 試驗結果及分析

2.1 位移分析

(1)鋼軌位移

以150萬次疲勞荷載加載為例，鋼軌相對于軌枕的豎向位移、橫向位移時程曲線分別如圖4、圖5所示；隨著疲勞次數增加，鋼軌豎向相對位移、橫向相對位移峰值變化曲線分別如圖6、圖7所示，具體數值見表1。

圖4 鋼軌相對于軌枕的豎向相對位移曲線

圖5 鋼軌橫向相對位移曲線

圖6 鋼軌豎向相對位移峰值變化曲線

圖7 鋼軌橫向相對位移峰值變化曲線

在300萬次疲勞荷載加載過程中，鋼軌相對于軌枕的豎向相對位移和橫向位移隨著加載次數的增加，基本逐漸減小，趨于穩定。由于每次測試位移之后均歸零，相對位移的減小說明了彈性軌枕+道砟墊有砟軌道在加載過程中道床逐漸密實，軌道狀態逐漸穩定。枕間鋼軌豎向相對位移峰值在1.22～1.57 mm變化，枕上鋼軌豎向相對位移峰值在0.88～1.54 mm變化，鋼軌橫向位移在1.20～1.67 mm變化。

表1 鋼軌位移峰值

(2)軌枕位移

以150萬次疲勞荷載加載為例，1、2號軌枕相對于道床的豎向相對位移時程曲線如圖8所示；隨著疲勞次數增加，1、2號軌枕豎向相對位移峰值變化曲線如圖9所示，具體數值見表2。在300萬次疲勞加載過程中，軌枕相對于道床的豎向相對位移逐漸減小，趨于穩定，這說明了在加載過程中，道床逐漸密實。1號軌枕豎向相對位移峰值在2.32～2.77 mm變化，2號軌枕豎向相對位移峰值在1.13～1.38 mm變化。

圖8 軌枕相對于道床的豎向相對位移曲線

(3)軌距

圖9 軌枕豎向相對位移峰值變化曲線

荷載循環次數/×104次軌枕豎向相對位移/mm1號軌枕2號軌枕初始2.771.38302.471.13602.461.22902.531.261202.591.301502.431.191802.481.142102.441.132402.371.192702.321.143002.321.15

圖10 軌距變化曲線

隨著疲勞次數增加，軌距變化曲線如圖10所示。在300萬次疲勞荷載加載過程中，軌距變化很小，基本穩定在1 435 mm，說明彈性軌枕+道砟墊有砟軌道在疲勞荷載作用下，能夠很好地保證軌距的穩定，軌道幾何形位良好。

(4)道床下沉高度

隨著疲勞次數增加，道床下降高度變化曲線如圖11所示。計初始狀態道床下沉高度為0，加載次數為30萬次時，道床下沉2 mm，加載60～90萬次時，道床下沉高度為3 mm，相對下沉幅度減小，說明在加載過程中，道床逐漸壓實，加載120萬次之后道床高度趨于穩定，道床最終下沉4 mm。文獻[10]中的試驗結果得出，普通軌枕有砟軌道與未加道砟墊的彈性軌枕有砟軌道在疲勞荷載作用下的道床初始下沉量分別為8.92 mm與3.47 mm，且普通軌枕有砟軌道在150萬次疲勞荷載之后仍有較大下沉，兩種軌道在300萬次疲勞荷載后，道床最終沉降分別為13 mm與5.5 mm。而本文中提出的彈性軌枕+道砟墊有砟軌道的道床初始下沉量僅為2 mm，加載120萬次之后，道床高度趨于穩定，最終下沉4 mm，說明該新型軌道明顯優于普通軌枕有砟軌道以及未加道砟墊的彈性軌枕有砟軌道，有利于減輕線路的養護維修工作量。

圖11 道床下沉高度變化曲線

2.2 輪軌力分析

隨著疲勞次數增加，輪軌力峰值見表3，輪軌力峰值變化曲線如圖12所示。

圖12 輪軌力峰值變化曲線

在300萬次疲勞荷載加載過程中，輪軌力峰值基本變化很小，輪軌垂向力在疲勞加載前期，由于疲勞試驗機穩定性等因素有所波動，整體在173.22～192.53 kN變化，輪軌橫向力在81.89～100.34 kN變化，說明彈性軌枕+道砟墊有砟軌道在列車荷載循環作用下，受力仍能夠保持穩定，軌道狀態保持良好。

3 結論

本文通過對彈性軌枕+道砟墊有砟軌道施加疲勞荷載，測試其軌道狀態的變化，得出以下結論。

(1)300萬次疲勞荷載前后彈性軌枕+道砟墊有砟軌道軌枕、枕下膠墊、道砟墊狀態均完好，未出現破壞，有較好的耐久性，能夠保證行車安全與舒適。

(2)在疲勞試驗中，隨著加載次數的增多，鋼軌和軌枕位移均逐漸減小趨于穩定；軌距基本保持不變；道床在加載初期因循環荷載作用逐漸密實高度有所下降，后期壓實高度不變；輪軌力在加載過程中基本保持穩定。說明彈性軌枕+道砟墊有砟軌道在疲勞荷載作用下，仍能夠保持良好的幾何形位及受力狀態，保證行車安全。

(3)彈性軌枕+道砟墊有砟軌道結構采取兩種增加軌道彈性的措施，且疲勞特性良好，或可應用于橋、隧、涵等特殊區段，以減緩道砟粉化速率。