1.有砟軌道簡介

有砟軌道是指軌下基礎(chǔ)為石質(zhì)散粒道床的軌道，也就是說，鋪設(shè)在鐵路鋼軌、軌枕之下的用于傳遞列車荷載的材料是一堆小石子（這些小石子的專業(yè)術(shù)語為“道砟”）。

與“有砟軌道”相對應(yīng)的概念則是“無砟軌道”。在無砟軌道結(jié)構(gòu)中，用于傳遞列車荷載的結(jié)構(gòu)則采用混凝土、瀝青混合料等澆筑而成的整體。

在無砟軌道出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)意義上的鐵路都屬于有砟軌道。典型的有砟軌道如下圖[1]所示：

作為一種長度遠大于另外兩個維度的構(gòu)筑物，鐵路在研究設(shè)計中通常截取某一橫斷面作為研究對象。有砟軌道和無砟軌道的結(jié)構(gòu)橫斷面一般是長這樣的：

兩者的本質(zhì)都是將列車荷載的作用面積放大，從而減小結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力。

2.有砟軌道的存在意義

首先要知道，無砟軌道作為彌補有砟軌道的缺陷而研發(fā)的新型結(jié)構(gòu)，克服了有砟軌道需要經(jīng)常維修、占用軌道結(jié)構(gòu)、維修成本高且周期頻繁等缺點。雖說如此，無砟軌道自身也存在適應(yīng)性不高、維修困難、造價高的缺點，所以留給了有砟軌道一定的生存空間，因此目前還未能全面替代有砟軌道。

另外，有砟軌道雖然落后于時代，但在無砟軌道還未累積足夠的運營管理和養(yǎng)護維修方面的經(jīng)驗時，還是有其優(yōu)勢和存在意義。

此外，有砟軌道能存活至今并成為研究熱點的最重要原因，是能夠應(yīng)用于重載鐵路。

陸地上超大運輸量的需求，比如我國山西和鄰近幾個省份的煤炭外運到港口，以及從巴基斯坦海港一直連接到中國西北的超大運量貨運路線的規(guī)劃，都要求建設(shè)能承受極大軸重的重載鐵路。在重載鐵路上運行的超大運輸量的貨運列車，雖然速度不快，但發(fā)車密度極大。多次重復(fù)施加的巨大荷載，能輕易地將無砟軌道的鋼筋混凝土板碾出裂縫，也能輕易地將有砟軌道的道砟壓碎或擠出。鋼筋混凝土板出現(xiàn)裂縫后很難補救；而被壓碎或擠出的道砟則能夠便捷地更換和搗固，進而維持軌道的平順穩(wěn)定。因此盡管有砟軌道存在諸多缺點，但唯有它能夠勝任重載鐵路。隨著重載鐵路的發(fā)展，對于大軸重列車荷載下的有砟軌道的研究也日漸熱門。

最后再講幾點道砟道床的其他優(yōu)勢。道砟的工程維修容易實施，只需要鏟子就能鏟走換新了，當(dāng)然現(xiàn)在更多用大型養(yǎng)路機械來換砟。道砟道床同時還可以抵消部分振動作用、吸收噪音以及其他形式的能量等。道砟材料易得，經(jīng)濟實惠。以下是道砟的實物圖[2]。

3.重載有砟軌道的現(xiàn)存問題[3]

3.1過渡段的不均勻沉降

鐵路運輸作為長距離的運輸方式，總會經(jīng)過山川河海，因此鐵路除了鋪設(shè)在地面上，還可能鋪設(shè)在橋梁上或隧道內(nèi)。鋪設(shè)在地面上與鋪設(shè)在橋梁上（或者隧道上）的這兩種情形，從橫截面來看，則是道床以下的土質(zhì)路基替換成了鋼筋混凝土底座。

土質(zhì)路基的剛度相對較低（即容易在荷載作用下發(fā)生變形），鋼筋混凝土底座的剛度較高（不易變形），換而言之，鋪設(shè)在地面上的鐵路區(qū)段（簡稱為“線路段”）與鋪設(shè)在橋梁或隧道上的鐵路區(qū)段（簡稱為“橋梁段”或“隧道段”）存在剛度的差異，由此在線路段與橋梁段（或隧道段）的交界處產(chǎn)生的沉降差異。

現(xiàn)實經(jīng)驗中，低速行駛的汽車能輕易克服路面的凹凸不平，K或T開頭的低速客運火車也能較好地適應(yīng)惡劣路況。但對于重量極大的重載貨運列車以及高速行駛的高鐵，過渡段的交界處不均勻沉降導(dǎo)致列車的動量發(fā)生突變，進而轉(zhuǎn)變?yōu)閷α熊嚭蛯壍赖木薮鬀_量，已經(jīng)足夠引起嚴重的行車安全問題和軌道的損耗問題。

3.2周期進行的搗固作業(yè)對道砟的破壞

相關(guān)研究表明，有砟道床維修成本占軌道結(jié)構(gòu)總體維修成本70%以上。有砟道床維修作業(yè)中有一項搗固作業(yè)，該作業(yè)通過搗固機械對道砟顆粒施加動荷載，使道砟顆粒的排列變得更為密實緊湊，提高道砟道床的各項性能，但同時，動荷載也會加速道砟破裂與老化，進而導(dǎo)致道砟破碎和道床橫向阻力降低。

3.3道砟道床病害

（1）道砟臟污：隨著鐵路運營時間的增加，道砟道床會變“臟”，也就是說，道砟之間的空隙被磨損下來的道砟碎屑、枕木碎屑和撒漏的貨物碎屑填滿，導(dǎo)致道砟臟污現(xiàn)象（Fouled Ballast）。隨著道砟臟污程度的提高，道砟道床整體的強度會變小，排水性變差。下圖所示是以煤運為主的大秦鐵路，道砟顆粒間被煤灰填滿。

（2）飛砟：現(xiàn)實中無論鐵軌或是車輪，都會存在一定程度的不平順，這也是列車行車過程中發(fā)生振動的原因。另一方面，列車高速通過時，會對車體下方的道砟顆粒產(chǎn)生負壓風(fēng)載，吸引道砟顆?？朔亓Χ撾x地面。在列車振動和負壓風(fēng)載的共同作用下，毫不起眼的道砟很可能會擊打造價高昂的高速列車，并引起不可控的危險；或者道砟飛起后正好落在鋼軌上，當(dāng)車輪碾過鋼軌上的道砟時可能產(chǎn)生顛簸感，甚至引起列車脫軌。

冬季嚴寒地區(qū)線路上，列車上積雪或者冰塊擊打道床時，同樣可能導(dǎo)致道砟飛濺，并引起上述的飛砟危險。

（3）翻漿冒泥：不合理的道砟顆粒級配、道砟臟污程度的提高都會引起道床排水性能下降，進而引起道床的翻漿冒泥病害。極端情況下甚至?xí)?dǎo)致道床失穩(wěn)。

4.目前的研究重點[3]

（1）大軸重條件下道砟-軌枕-路基力學(xué)作用機理及本構(gòu)模型研究。微觀層面上道砟-軌枕-路基相互作用力學(xué)特性與機理沒有得到充分解決，例如道砟-軌枕散體接觸、道砟顆粒微觀劣化與宏觀流變性之間關(guān)系。深入研究該問題一方面能增強道床穩(wěn)定性與承載力，降低養(yǎng)護維修成本；另一方面有助于改善或者緩解道砟劣化發(fā)生與發(fā)展，如優(yōu)化軌枕剛度與形狀、彈性軌枕等。

（2）有砟軌道系統(tǒng)相互作用機理研究。道砟道床與下部結(jié)構(gòu)（路基、橋梁）及新型土工織物（包括道砟膠、道砟墊、擠塑板等）結(jié)構(gòu)體系受力機理和影響規(guī)律需要進一步明確。同時道砟結(jié)構(gòu)體系固化技術(shù)與結(jié)構(gòu)體系作用機理亟待解決。

（3）道砟-外部機械養(yǎng)護維修相互作用機理與優(yōu)化。搗固機械對道砟道床養(yǎng)護維修的破壞機理，微觀破壞與維修后道床狀態(tài)失穩(wěn)研究，需要明確。

（4）有砟軌道結(jié)構(gòu)和維修深層次理論問題。采取科學(xué)手段進行軌道狀態(tài)健康監(jiān)測、檢測、控制及養(yǎng)護維修是有砟軌道發(fā)展的首要問題。為此，有必要對道砟道床作用機理及演化規(guī)律進行微觀力學(xué)定量分析，研究道砟顆粒本身、道砟散體、道砟道床物理力學(xué)性質(zhì)和影響規(guī)律。如將道砟道床、鋼軌、路基的檢測三位一體綜合系統(tǒng)分析，更加有利于對軌道結(jié)構(gòu)維修周期與維修成本優(yōu)化，在現(xiàn)今技術(shù)條件下完全可行和必要。

參考文獻或出處：

[1].圖片出處：https://www.zhihu.com/collection/186571764

[2].圖片出處：Geology
- rocks and minerals; Geology - rocks and minerals; Geology - rocks and minerals等，有修改。

[3]. 井國慶. 鐵路有砟道床[M]. 中國鐵道出版社, 2013.