铁路弹性轨枕工程

弹性轨枕工程技术15.1 概述15.1.1 何谓弹性轨枕所谓弹性轨枕是是指在混凝土枕底面覆置橡胶垫层的轨枕，以达到防止道碴粉化及降低振动噪声的作用。

图15.1.1为III型弹性轨枕，它是在对现用混凝土枕的设计与制造不做根本改变的前提下，仅要求在混凝土轨枕生产的同时，将其底面按规定尺寸做成凹槽形状。

其枕底凹槽形状为梯形，四周呈120度倒角形状，其尺寸为804×(252~282)×6mm。

图15.1.1 III型弹性轨枕枕底凹槽形状尺寸（单位：mm）15.1.2 弹性轨枕的作用（1）降低轨道刚度，提高轨道弹性。

（2）减轻道床振动，减少道床粉化。

（3）减轻养路工作量，延长轨道维护周期和寿命。

（4）缓和列车冲击作用，降低轨道振动和噪声。

（5）提高列车运行品质。

15.1.3 弹性轨枕的适用范围适用于高速、重载有砟轨道地段，特别适用于高速有砟桥上和隧道内，既有线提速桥上道床厚度不足、涵顶至轨底高度不足及山区铁路桥隧相连建筑限界受限地段。

迄今已铺设弹性轨枕，既有线约8km，客运专线约为60km。

运营实践表明使用效果非常好。

通过对弹性轨枕的成本与寿命、投入与产出的经济性分析，确认使用弹性轨枕具有明显的经济效果和社会效益。

15.1.4 普通轨枕与弹性轨枕的技术参数比较表15.1.1 两种轨枕的技术参数比较15.2 弹性轨枕工作原理15.2.1 道床刚度与道床厚度的关系下面，用被世界公认的道床模型来分析一下道床刚度与道床厚度的关系。

（1）道床模型与计算公式道床刚度是用于评价道床弹性和承载能力的重要力学指标。

它是指轨枕在道床支承面上产生单位下沉时所需要的单股钢轨作用于轨枕上的荷载值。

在垂向荷载作用下，道床受力状态可视为锥体分布的模型（图15.2.1）。

根据弹性理论，道床刚度K b 与道床厚度h b 的关系可按下式计算。

图15.2.1 道床锥体分布模型()()ln ()e b b b e b b b e b C l l K E l l h C l l h C -=⎡⎤+⎢⎥+⎣⎦（15.2.1）式中 C =2tg α；α ── 扩散角（°）；l e ── 枕底受荷面积的长度（m ）； l b ── 枕底受荷面积的宽度（m ）； h b ── 道床厚度（m ）； E b ── 道床弹性模量（kN/m 2）。

（2）计算条件Ⅲ型混凝土枕 l e =1.3m l b =0.227m 碎石道床 α=35° E b =5×104kN/m 2h b =20、25、30、35、40、45、50、55、60cm （3）计算结果按式（15.2.1），计算不同道床厚度的道床刚度的结果见表15.2.1和图15.2.2。

表15.2.1 道床刚度的计算结果1520253035404550556065708090100110120130K b （k N /m m ）h b （cm ）图15.2.2 道床刚度与道床厚度的关系（4）结果分析（1）由表15.2.1和图15.2.2的计算结果可知，随着道床厚度h b的增加，道床刚度K b呈减小趋势，并且递减率也逐步减小。

（2）若以h b=35cm的K b为比较标准，则但道床厚度分别低于比较标准5cm、10cm和15cm时，道床刚度分别增大8.2%、19.6%和36.4%。

可见道床厚度采用25cm或20cm时是不可取的。

（3）若道床厚度h b从35cm再增加10cm达到45cm时，道床刚度仅仅降低10%左右，似也无此增加厚度的必要。

从这一角度分析，道床厚度以35cm为宜，设计暂规的规定是合适的。

（4）应当指出，以上计算结果是以道床弹性模量E b为一定的条件下进行的，由式（15.2.1）可知，在相当程度上K b值与E b的大小直接相关，且成正比关系。

（5）在道床厚度h b≤35cm的条件下，如若提高轨道特别是道床弹性，有效措施是设置碴下胶垫或使用弹性轨枕，而使用弹性轨枕不仅比使用碴下胶垫效果更佳，而且在成本上还比铺设碴下胶垫更为合算。

15.2.2 道床厚度与道床加速度的关系（1）有碴道床失效的原因现代提速轨道和高速轨道要求轨道高低不平顺十分严格。

《既有线提速200km/h技术条件》（试行）规定，用10m弦测量的轨道高低不平顺容许偏差管理值，静态时经常保养为5mm，临时补修为8mm，达到11mm时就必须限速（160km/h）；动态时经常保养为5mm，舒适度为8mm，临时补修为12mm，达到15mm时就要限速（160km/h）。

然而，工务管理的现实情况是，尽管道床经过捣固稳定作业，但在列车荷载的经常反复作用下，即使道床各层压应力均在其容许限度以内，也不可避免地要发生沿线轨道的不均匀沉陷和残余变形积累。

从而造成轨道几何形位的偏差，引起列车走行轨路的高低不平顺，增加列车对轨道的附加动力作用。

反过来，既有轨道高低不平顺又会随着列车的反复通过而有逐渐增大其幅度的趋向，发展到一定程度就会影响快速行车的平稳性、舒适性和安全性。

为检测这种轨道高低不平顺，并按上述所规定的维护标准进行养路，是件经常性的、大量的工作。

长期工务管理的经验一再证明，道床下沉占轨道总下沉量的90%以上，60~80%的养护维修工作量都用在道床作业方面。

因此，弄清楚影响道床下沉、失效的因素，控制、减缓道床残变积累速率，就是本项目研究工作需要给予回答和设法处理的现实问题。

（2）道床残变速率类比评价准则不难设想，在同一运营条件和轨道整备状态下，道床下沉速率快的，说明轨道结构承载能力弱，反之则强。

现用道床残变速率β来表征类比不同轨道结构道床残变的快慢。

β值小表示道床变形小，反之则大。

β =σb ·a b (15.2.2)式中 σb ── 道床压应力（kN/mm 2）； a b ── 道床加速度（m/s 2）。

而道床压应力σb 为：σb =R d ·B (15.2.3)其中 R d ── 钢轨动压力（kN ）；B ── 轨枕有效支承面积之半，Ⅲ型混凝土枕的B =360000mm 2。

道床加速度a b 为：b a = (15.2.4)其中 K zd ── 钢轨支座动刚度（kN/mm ）； m b ── 道床参振质量（kg ）。

而m b =V b ·ρb (15.2.5)其中 ρb ── 道床密度（kg/m 3），ρb =2.2×103kg/m 3；V b ── 道床锥体体积（m 3）。

224()3b b e b b e b b V h l l h tg l l h tg αα⎡⎤=+++⎢⎥⎣⎦(15.2.6) 式中其他符号意义同前。

（3）轨道类比计算实例 1）类比条件现以第15.4.2节涵上普通轨枕和弹性轨枕有碴轨道的试验结果为依据，按上节基本原理和评价准则，通过实例计算，分析研究两种轨道的高低变化程度及道床厚度和道床加速度的关系。

2）道床动压应力的计算钢轨动压力R d ，根据实测结果（见表15.4.9），普通轨枕轨道为R dp =91kN ，弹性轨枕轨道R dt =58kN ，由式（15.2.3）得：普通轨枕：3591100.25283.610bpσ⨯==⨯ N/mm 2 弹性轨枕：3558100.16113.610bt σ⨯==⨯ N/mm 2 3）道床参振质量的计算按式（15.2.5）、式（15.2.6），不同道床厚度h b 的道床质量的计算结果见表15.2.2。

表15.2.2 道床参振质量的计算值（4）道床加速度的计算根据实测结果（见表15.4.9），道床支承动刚度普通轨枕K dp =75.54kN/mm ，弹性轨枕K dt =19.99kN/mm ，按式（15.2.4），不同道床厚度的道床加速度的计算结果见表15.2.3和图15.2.3。

表15.2.3 道床加速度的计算值15202530354045505560650.00.10.20.30.40.50.6a bh b （cm ）图15.2.3 两种轨枕不同厚度道床的加速度变化曲线（5）道床残变速率的计算根据以上算出的道床动应力σb 值和道床加速度a b 值，按式（15.2.2）计算不同道床厚度的道床残变速率β值，见表15.2.4和图15.2.4。

表15.2.4 道床残变速率的计算值1520253035404550556065βh b (cm)图15.2.4 两种轨枕不同厚度道床的残变速率变化曲线（4）轨道高低变化程度的评估1）道床动压应力引起高低变化程度的比较 根据15.2.2（3）2）中的计算结果可得：0.25281.570.1611bp bt σσ== 尽管σbp 和σbt 值均小于碎石道床允许承压应力[σb ]=0.50Mpa ，但两者对道床残余变形的影响却大不相同。

因道床动压应力而引起的轨道高低变化，普通轨枕是弹性轨枕的1.57倍，换言之，采用弹性轨枕可使轨道高低变化的程度减少36%。

2）道床加速度引起高低变化程度的比较由表15.2.3和图15.2.3的计算结果可知，随着道床厚度h b 的增加，两种轨枕轨道的道床加速度a bp 和a bt 均呈降低趋势。

但两者对道床残余变形的影响也大不相同。

道床加速度越大，碎石道床的破坏或失效就越严重。

因道床振动加速度而引起的轨道高低变化，不论道床厚度如何，普通轨枕约为弹性轨枕的2倍，也就是说，采用弹性轨枕可使轨道高低变化的程度减少50%。

3）道床残变速率引起高低变化程度的比较受道床动压应力和道床加速度综合影响的道床残余变形积累速率β引起的轨道高低变化，由表15.2.4的计算结果可知，普通轨枕大致是弹性轨枕的3倍，显然，采用弹性轨枕可使轨道高低变化的程度减少67%。

（5）道床厚度与道床加速度的关系1）道床合理厚度由表15.2.3的计算结果不难看出，道床厚度每增加10cm，无论是普通轨枕还是弹性轨枕轨道，道床加速度均可降低20~30%，并且，道床厚度从20cm增加到30cm或从25cm增至35cm，其降低效果十分显著，接近30%；如果道床厚度从35cm再往上增加，效果虽有，但递减率也会随之减小，似无此必要，故道床合理厚度以35cm为宜。

2）使用弹性轨枕由表15.2.3还可看出，道床厚度h b=20cm时弹性轨枕的道床加速度a bt=0.29，与h b=45cm时普通轨枕的a bp=0.29相当，也就是说：弹性轨枕+10cm道床厚度≈普通轨枕+35cm道床厚度可见，使用弹性轨枕至少可顶替20cm的道床厚度。

这一事实，对于在道床厚度不足的地段铺设弹性轨枕有特殊功效，它已被试铺地段的运营实践所证实。

15.2.3 本章要点（1）使用弹性轨枕不仅能明显提高轨道弹性，降低道床动应力和道床振动加速度，还能显著降低轨道高低不平顺的幅度及其扩展速率，这大大有利于减少轨道养护维修工作量及其费用，延长轨道综合维修周期。