轨道结构理论与轨道力学(石碴道床)

石粉塑限PL(%)
＞11
抗大气腐蚀 性能
稳定性能
硫酸钠容液浸泡损失率
密度(g/cm3) 容重(g/cm3)
＜10
＞2.55 ＞2.55
均应满足要求
软弱颗粒
饱水单轴抗压强度(MPa)
≤20 (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
≥50
高速道碴与标准道碴级配的区别
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。
“宽级配”有利于小型机械甚至人工作 业时道床的密实。
我国道碴的标准级配 （25－60mm）
100
方孔筋边长 (mm)
过筛质量百分 比(%)
16
80
60 0～5
25
35.5
45
56
63
5～15 25～40 55～75 92～97 97～100
过筛重 量 百分比
40
20
0
10
20
30
40
50
60
70
（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。
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
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)
22.4
31.5
40
50
63
级配
过筛质量百 分率(%)
0～3
1～25
30～65
70～99
100
颗粒分布
方孔筛孔边长(mm) 颗粒质量百分率(%)
31.5～50
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
评估方法
抗磨耗、 抗冲击性能
抗压碎性能
洛杉矶磨耗率LAA(%)
标准≤1集8 料压必碎须率满足C要A从求
标准集料冲击韧度IP
标准石集料耐料磨冲硬击度系韧数度K干I磨P从
≤9≥%＞1降1180到≤8指%至标少满有足1要项求
≥10标0提准集升料到压≥碎1度10CA(%)
＜8
两项指标
道砟集料压碎率CB(%)
＜17
同时满足要求
渗透系数Pm(10-6cm/s)
渗水性石能料耐磨石粉硬试度模系件抗数压已强无度σ (MPa)
法提高
石粉液限LL(%)
道≤1砟8＞＜＞%40集2..降054料到压≤至1碎少7满%率有足两C要项B求指从标
桥面道碴垫铺设图
三、防止飞碴的道砟胶、道碴网
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
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
1

m
R be
道床应力与深度无关
φ 30 35 50度 h1 21 17 10cm
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。
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。
道床第三层应力与轨枕尺寸无关
h2 h
2

R 4h2tg 2
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。
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
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
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。
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
级配 摩擦角
5－25 40
前苏联的试验结果
25－40 25－50 25－60 25－70 40－70
42
45
47
50
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
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
2

R 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
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%
（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 16 边长
过筛百 0-5 分率%
25
35.5
45
56
63
5-15 25-40 55-75 92-97 97-100
（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。
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%。
石碴级配25－70mm，枕底名义应力 0.24MPa，路基面名义应力0.1MPa。
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
（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：
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
二、铁标中关于道碴指标的规定
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
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
3.固定轨道框架
道床横向阻力的组成
木枕（%） PC枕（%）
枕底 15
50
枕盒 55
百度文库25
肩部 30
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