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
1
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
项 目 轨道振动水平（dB） 道床支承刚度（kN/mm） 钢轨支点刚度（kN/mm） 钢轨 轨枕 涵顶 静态实测平均值 ①普通轨枕 比 较 ①-② 164 159 5 151 141 10 128 116 12 ((①-②)/①)% 106.3 25.4 ↓76 45.6 19.3 ↓58 75.5 20.0 ↓74 116 61 ↓47 169.4 62.5 ↓63 55~65 55~65 672 938 ↑39.6 ①/② 0.2528 0.1611 1.57 0.57 0.29 1.96 0.29 0.15 1.93 0.1441 0.0467 3.0 0.0733 0.0242 3.0 弹性轨枕显著优于普通轨枕 ②弹性轨枕 静态值 动态值 静态值 轨道刚度动态值 （kN/mm） 合理值 弹性支承长度（mm） 道床动压应力(MPa) 轨道高低变化评道 床 加速度 估 道床残变速率 综合比较 hb=20cm hb=45cm hb=20cm hb=45cm 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Kb与道床厚度hb的关系可按下式计算。
图15.2.1 道床锥体分布模型
2
Kb?C(le?lb)Eb （15.2.1）
?l(l?hC)?ln?ebb??lb(le?hbC)?式中 C=2tgα；
α ── 扩散角（°）；
le ── 枕底受荷面积的长度（m）； lb ── 枕底受荷面积的宽度（m）； hb ── 道床厚度（m）； Eb ── 道床弹性模量（kN/m2）。 （2）计算条件
Ⅲ型混凝土枕 le=1.3m lb=0.227m 碎石道床 α=35° Eb=5×104kN/m2
hb=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
hb(cm) Kb(kN/mm) 比较 20 123.4 1.364 130120110100908070152025303540455055606525 108.2 1.196 30 97.9 1.082 35 90.5 1.0 40 84.9 0.938 45 80.5 0.890 50 77.0 0.851 55 74.1 0.819 60 71.6 0.791 Kb（kN/mm）hb（cm）
图15.2.2 道床刚度与道床厚度的关系
（4）结果分析
3
（1）由表15.2.1和图15.2.2的计算结果可知，随着道床厚度hb的增加，道床刚度Kb呈减小趋势，并且递减率也逐步减小。
（2）若以hb=35cm的Kb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hb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Eb为一定的条件下进行的，由式（15.2.1）可知，在相当程度上Kb值与Eb的大小直接相关，且成正比关系。
（5）在道床厚度hb≤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。
4
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·ab (15.2.2)
式中 σb── 道床压应力（kN/mm2）； ab── 道床加速度（m/s2）。 而道床压应力σb为：
σb=Rd·B (15.2.3)
其中 Rd── 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=360000mm2。 道床加速度ab为：
ab?Kzd/mb (15.2.4)
其中 Kzd── 钢轨支座动刚度（kN/mm）； mb── 道床参振质量（kg）。 而
mb=Vb·ρb (15.2.5)
其中 ρb── 道床密度（kg/m3），ρb=2.2×103kg/m3；
Vb── 道床锥体体积（m3）。
422? Vb?hb?ll?htg?(l?l)?hbtg?? (15.2.6) ebbeb?3??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
5