轨道结构理论与轨道力学(石碴道床)

四、高速铁路道碴的材质要求

道砟颗粒形状和清洁度要求更高 道砟颗粒的针状、片状指数由标准 宽级配道碴的50%下降至20%。 道砟中细小颗粒及粉末的含量直接 采用了更加严格的欧洲道砟标准。
性
能
参
数
洛杉矶磨耗率LAA从 ≤20%降到≤18%)
指 标 ≤18 ＞18 ＜8 评估方法
洛杉矶磨耗率LAA(%) 抗磨耗、 抗冲击性能 标准集料冲击韧度IP 石料耐磨硬度系数K干磨
55-75
92-97
97-100
（8）道碴清洁度指标 ▼针状指数（长度大于平均尺寸的1.8倍的颗 粒含量）不大于50% ▼片状指数（尺寸小于平均尺寸的0.6倍的颗 粒含量）不大于50% ▼粘土含量不大于0.5% ▼粒径0.1mm以下的粉末含量不大于1%
三、高速铁路的道砟级配

道碴级配综合反映了道碴的粒径大小及 各种粒径的组成比例，影响道床的许多 质量指标，是道碴最重要的指标之一：
轨道结构理论与轨道力学 （石碴道床）
第一节
道床的功用
1.分压
160% 100% 80% 60% 40% 20%
1%平均应力线
百度文库 道床的分压特性
b e
1
h1 b / 2tg h2 e / 2tg
2
道床第一层对分压不起作用
0 h h1
R 1 m be
道床应力与深度无关
φ 30 35 50度 h1 21 17 10cm
二、铁标中关于道碴指标的规定

主要适用于我国重载铁路的TB/T2140-90 对一级道碴的各种指标规定为：
（1）抗磨耗冲击性能： ▼洛杉矾磨耗率LAA小于27 ▼标准集料冲击韧度IP大于95 ▼石料耐磨硬度系数K干磨大于18
（2）抗压碎性能 ▼标准集料压碎率CA小于9 ▼道碴集料压碎率CA小于18 （3）渗水性能 ▼渗透系数Pm大于4.5＊10－6cm/s ▼石粉试模件抗压强度小于0.4MPa ▼石粉液限LL大于20% ▼石粉塑限PL大于12%


粒径和级配 粒状及表面棱角 密度和容重 硬度和韧度 吸水率和饱和率 抗压强度
2.耐久性指标：抵抗风化、崩解的能力

冻融指标 碳酸钙腐蚀性 软脆道碴含量 岩相特性
3.渗漏参数：抵抗脏污及渗水排水能力

道碴粉末的粘性 道碴粉末的渗透性 级配
4.电导参数：电阻 5.养护作业参数：振动密实度 6.工程性能参数：抗剪性能、重复荷载 变形积累、抗磨耗指数
道床第三层应力与轨枕尺寸无关
R 2 2 2 4h tg
h2 h

道床厚度至少应在1米以上才有可能满足路 基面纵横向应力均匀的要求 道床厚度依据路基面应力不超限确定，路 基面处于道床应力的第二层。

石碴内摩擦角与极配的关系
影响内摩擦角的主要因素：粒径、粒状、 表面特性，对粒状和表面特性有严格规定， 因面反映粒径及粒径组成的级配影响最大。
4.排水 5.方便维护
第二节 石碴道床材料


有碴轨道维修工作量的1/3至1/2出 现在道床，因此选择石碴的材料是 减少轨道维修的关键。 对道碴材料的检测方法、指标规定 很详细，道碴检测的仪器种类繁多。
一、道碴材料的检测指标体系
1.物理力学指标： 抵抗残余变形及颗粒破碎的能力


枕底范围内平均320颗道碴承力，每颗道 碴平均承力505N，平均接触应力1680MPa。 25cm深处，每颗道碴平均承力238N，平 均接触应力600－800MPa。
道碴接触应力可能存在3－6倍的波动。


2.减振

弹性：石碴颗粒的压缩变形、颗粒移动 阻尼：颗粒间的摩擦 影响因素：粒径、表面特性、粒状、脏污 程度、板结程度
二、强化道碴及减振降噪的道砟垫

在桥面或路基面于碎石道床下层铺设道 砟垫，可以加强道碴结构、增加轨道弹 性、隔离振动、减小噪音。 材料：合成橡胶、天然橡胶或微孔橡胶 尺寸：厚度15－40mm，与道床底同宽 同长 面刚度：0.01-0.09N/mm3

桥面道碴垫铺设图
三、防止飞碴的道砟胶、道碴网
标准集料压碎率CA从 ≥110 至少有1项 ≤9%降到≤8%
指标满足要求 两项指标 同时满足要求
必须满足要求
抗压碎性能
标准集料冲击韧度IP从 标准集料压碎度CA(%) ≥100 提升到≥110
道砟集料压碎率CB(%)
渗透系数Pm(10-6cm/s) 石粉试模件抗压强度σ (MPa) 石粉塑限PL(%) 硫酸钠容液浸泡损失率

石碴道床的减振效果

钢轻接头部位的轨道振动情况： 钢轨100－300g； 轨枕20－50g； 道床表层10－20g； 道床底层及路基面2－5g；
加速度衰减系数



轨枕/钢轨＝0.13-0.17 轨枕附近道碴/轨枕＝0.2-0.24 轨枕下部道碴/轨枕＝0.32-0.38 底部道碴/表层道碴＝0.45-0.7
粒径 [筛分机底筛和面筛筛孔边长(mm)] 31.5～50 方孔筛孔边 长(mm) 级配 过筛质量百 分率(%) 0～3 1～25 30～65 70～99 100 22.4 31.5 40 50 63
方孔筛孔边长(mm)
颗粒分布 颗粒质量百分率(%)
31.5～50
≥50
高速道碴与标准道碴级配的区别
（4）抗大气腐蚀破坏 ▼硫酸钠溶液浸泡损失率小于10% （5）稳定性能 ▼密度大于2.55g/cm3 ▼容重大于2.50g/cm3 （6）软弱颗粒 ▼饱水单轴抗压强度小于20MPa
（7）道碴级配(25-60mm）
方孔筛 边长 16 25 35.5 45 56 63
过筛百 分率%
0-5
5-15
25-40
我国道碴的标准级配 （25－60mm）
100
方孔筋边长 (mm)
筛重 量 百分比 过
80
16
25
35.5
45
56
63
过筛质量百分 比(%)
60
0～5
5～15
25～40
55～75
92～97
97～100
40
20
0 10
20
30
40
50
60
70
方孔筛尺寸 /mm
我国高速铁路的窄级配道碴
我国高速铁路道碴的窄级配曲线
3.固定轨道框架

道床横向阻力的组成
枕底 枕盒 肩部 木枕（%） 15 55 30 PC枕（%） 50 25 25

稳定轨道框架的因素组成
道床65%、钢轨25%、扣件10%
影响道床阻力的因素



轨枕尺寸、重量、底面积与底面形状 石碴道床的密实度 粒径、级配、表面特性 肩宽 列车荷载 维修作业
均应满足要求
(含量少于10%)
第三节 石碴道床的强化措施
一、石碴道床的问题
（1）过渡段处石碴道床容易变形而形成轨 道不平顺 路－桥、路－隧等过渡段上，刚度 突变引起较大的振动，石碴更易坍塌， 导致轨面不平顺，影响线路结构的稳定 和高速行车的舒适性。
（2）道砟粉化严重 高速铁路有砟轨道的碎石道床承受 着高频振动和冲击，道砟的磨损和粉化 相当严重。德国曾明确规定：鉴于高速 铁路道砟液化和粉化对轨道维修及运营 的干扰，建议车速250km/h以上时全部 采用无砟轨道。

道砟粒径分布相对集中，25－60mm，变为 31.5－50mm。
小筛由16mm变为为22.4mm，控制小粒径含量 由5%变为3%。 最大控制粒径没变(63mm)，但含量由0～3% 减小为0%。


高速铁路采用“窄级配”道砟的优点
（1）有更大的内摩擦力，增加道床在列车振动 荷载作用下的稳定性。 （2）有利于延缓道床小颗粒在列车振动作用下 的粉化。 （3）防止道砟中小颗粒在高速列车风作用下的 飞溅。 （4）高速铁路几乎不再采用人工捣固作业的方 法，采用窄级配不会影响道床作业质量。

使用沥青材料或改性乙烯醋酸乙烯作为粘接剂， 将道碴表层粘接。

道碴防护网
前苏联的试验结果
级配
摩擦角
5－25
40
25－40
42
25－50
45
25－60
47
25－70
50
40－70
53
石碴道床分压的局限性

石碴的接触抗压强度 玄武岩：3040－4170MPa 花岗岩：1120－4000MPa 石炭岩：290－3570MPa

石碴的名义应力与实际接触应力差距巨大 石碴级配25－70mm，枕底名义应力 0.24MPa，路基面名义应力0.1MPa。
刚度、阻尼 密实度、道床阻力 道床应力与变形积累 渗水排水性能 维修性能等
我国重载线路的宽级配道碴 （标准级配）



TB/T2140-90道砟级配针对重载客货共 线铁路、半机械、半手工维修提出的， 采用“宽级配”。 粒径分布范围宽，粗颗粒隙由更多小颗 粒填充，增加颗粒接触面，有利于减少 重载压力。 “宽级配”有利于小型机械甚至人工作 业时道床的密实。
道床如要起到分压的作用，厚度不宜小于20cm
道床第二层应力与轨枕宽度无关
h1 h h2

R 2 2etg
道床应力与轨枕宽度无关，但与轨枕长度 有关，路基面沿纵向应力均匀，而沿横向 应力不均匀，可能在轨下路基面形成纵向 压槽
φ 30 35 50度 h2 165 136 80cm

道床厚度只能满足基面横向应力均匀要求
＜17
＞4.5 ＞20 ＞11 ＜10
渗水性能 石料耐磨硬度系数已无 石粉液限LL(%)
法提高
道砟集料压碎率CB从 ＜0.4 至少有两项指标 ≤18%降到≤ 17% 满足要求
抗大气腐蚀 性能 稳定性能 软弱颗粒
密度(g/cm3)
容重(g/cm3) 饱水单轴抗压强度(MPa)
＞2.55
＞2.55 ≤20
（3）高速铁路道床飞砟现象

飞碴的危害 高速飞起的道砟冲击钢轨致使钢轨 表面擦伤严重； 飞砟撞击列车底部损坏高速轨检车 的检测设备。

飞碴的原因 冬季车辆上冰块下落引起道砟飞散。 列车风：车速300km/h时，道床表面形 成的列车风达50m/s以上。
（4）桥上有砟轨道结构道砟液化


车速200km/h以上时，桥面垂向加速度 超过0.7～0.8g，且列车以某一速度运行 时，将与梁体可能产生共振现象，桥上 道砟出现趋于液体般流动的现象，称之 为液化现象。 液化现象可导致轨道不稳定和几何状态 恶化，给列车运营带来危险。