2.5 有砟道床
2.5.1 道床的功能
道床是传统轨道结构的一部分，其主要的功能为：
（1）机车车辆的荷载通过钢轨、轨枕传递给道床，道床将荷载扩散，然后再传给路基，从而减小路基面上的荷载压强，起到保护路基顶面的作用；
（2）道床为轨排提供纵横向阻力，起到保持轨道几何形位稳定的作用，这对无缝线路尤为重要；
（3）道床具有良好的排水作用，减少轨道的冻害和提高路基的承载能力；
（4）道床的弹性和阻尼可吸收轮轨之间的冲击振动；
（5）此外，由于道床的易作业性，使得轨道几何形位的调整较为方便。
由于道床的这些优点，目前有砟轨道结构仍是普速铁路和高速铁路的主要轨道结构形式，城市轨道交通部分地段也采用此种轨道结构形式。
2.5.2 道砟材质、级配及清洁度
为适应道床功能，有砟道床以道砟为材料。道砟应具有以下性能：质地坚韧，有弹性，不易压碎和捣碎；排水性能好，吸水性差；不易风化，不易被风吹动或被水冲走。
用作道砟的材料主要有：碎石、天然级配卵石、筛选卵石、粗砂、中砂及熔炉矿渣等。选用何种道砟材料，应根据铁路运量、机车车辆轴重、行车速度，成本和就地取材等条件来决定。我国铁路干线上基本使用碎石道砟，在次要线路上才使用卵石道砟、炉渣道砟。下面仅介绍碎石道砟的技术要求。
根据《铁路碎石道砟》（TB/T 2140—2008）标准的内容可知，我国碎石道砟的技术条件包含以下三方面的内容。
（1）道砟的分级。碎石道砟根据材料性能及参数指标将道砟分为一级和特级道砟，见表2-3。碎石道砟的技术参数有：反映道砟材质的材质参数，如抗磨耗、抗冲击、抗压碎、渗水、抗风化、抗大气腐蚀等材料指标参数，为道砟材质的分级提供了依据；反映道砟加工质量的质量参数，如道砟粒径、级配、颗粒形状、表面状态、清洁度等加工指标。对于特重型轨道、隧道内轨道及宽轨枕轨道，应使用一级道砟，重型轨道力求使用一级道砟。我国的一级道砟标准并不是从技术、经济最优的角度订出的标准，而是根据当时全路道砟的供求关系，并考虑提高道砟质量的运营要求而提出的，和国外道砟质量，特别是高速铁路的道砟质量相比仍有很大的差距。
表2-3 碎石道砟标准
（2）道砟级配。碎石道砟属于散粒体，其级配是指道砟中颗粒的分布。道砟粒径的级配对道床的物理力学性能、养护维修工作量有重要影响。现行标准考虑了道砟的级配要求，可保证道砟产品有最佳的颗粒组成。宽级配道砟由于道砟平均粒径的减小，大、小颗粒的相互配合以及道砟颗粒之间的填满，使得道砟有更好的强度和稳定性，也有利于道床作业。新建铁路一级碎石道砟粒径级配标准见表2-4。
表2-4 新建铁路一级碎石道砟粒径级配
注：检验用方孔筛系指金属丝编织的标准方孔筛。
（3）道砟颗粒形状及清洁度。道砟的形状及表面状态对道床的性能有重要影响。一般而言，棱角分明，表面粗糙的颗粒，集料具有较高的强度和稳定性。近于立方体的颗粒比扁平、长条形颗粒有较高的抗破碎、抗变形、抗粉化能力。一般用针状指数和片状指数来控制长条形和扁平颗粒的含量。凡长度大于该颗粒平均粒径1.8倍的称为针状颗粒；厚度小于平均粒径0.6倍的称为片状颗粒。《铁路碎石道砟》（TB/T 2140—2008）规定针状指数和片状指数均不大于20％。
道砟中的污脏物，如污泥、土团、粉末等对道床的承载力是有影响的。污脏物降低道砟颗粒间的摩擦力，道砟粉末会加速道床板结，影响道床排水。《铁路碎石道砟》（TB/T 2140—2008）规定，特级道砟中风化颗粒和其他杂石含量不应大于2％，一级道砟中风化颗粒和其他杂石含量不应大于5％，未经水洗的一级道砟中粒径0.1mm以下粉末的含量不应大于1％。
2.5.3 道床底砟材料
底砟的功能是隔离面砟层的颗粒与路基面直接接触，截断地下水的毛细管作用，并降低地面水的下渗速度，阻止雨水对路基面的侵蚀。在我国《铁路碎石道床底砟》（TB/T 2897—1998）标准中明确规定：“底砟材料可取自天然砂、砾材料。也可由开山块石或天然卵石、砾石经破碎、筛选而成”。底砟材料的粒径级配应符合表2-5规定，且0.5mm筛以下的细集料中通过0.075mm筛的颗粒含量应小于等于66％。
表2-5 底砟粒径级配
在粒径大于16mm的粗颗粒中带有破碎面的颗粒所占的质量百分率不少于30％。粒径大于1.7mm集料的洛杉矶磨耗率不大于50％，其硫酸钠溶液浸泡损失率不大于12％；粒径小于0.5mm的细集料的液限不大于25％，其塑性指数小于6％，黏土团及其他杂质含量的质量小于等于0.5％。
2.5.4 道床断面
道床断面包括道床厚度、顶面宽度和边坡坡度三个主要特征，如图2-60所示。
图2-60 有砟轨道断面构造
道床厚度是指在直线上钢轨或曲线上内股钢轨中心线与轨枕中心线相交点处，轨枕底面至路基顶面的距离。道床厚度应根据作用在道床顶面上的轨枕压力在道床内部的传递特性及路基的承载力来决定。从实验研究可知，道床中的应力是与深度成反比，所以要求道床厚度能保证道床应力传递至路基顶面时，压应力基本均匀。我国铁路的道床厚度为250～350mm。
道床宽度为轨枕长度加上两倍的道床肩宽，道床宽度与轨道横向阻力和轨枕长度有关。道砟在轨枕头部的伸出部分称为道床肩宽。一般情况下的道床肩宽为200～300mm，在无缝线路上定为400～450mm，为提高道床的横向阻力，还需将砟肩堆高150mm。
自道床顶面引向路基顶面的斜坡称为道床边坡，其大小对道床的稳定性有十分重要的意义。道床边坡的大小与道砟材料的内摩擦角和黏聚力有关。
2.5.5 道床的病害及整治
1.有砟道床的变形
道床作为散粒体结构，本身具有弹、塑性，在外荷载作用下将产生弹、塑性变形。荷载消失后，弹性变形部分得以恢复，而塑性变形部分则成为永久变形或称残余变形。在列车重复荷载作用下，每次荷载作用所产生的微小残余变形会逐渐积累，最终导致整个轨道的下沉。道床的下沉是道床塑性变形随荷载作用而逐渐累积的过程。
道床下沉，特别是不均匀下沉，是轨道结构破坏的主要形式之一，轨道结构在列车荷载作用下，都会不同程度地产生振动，道床的振动加速了其下沉速度。
道床的下沉是道床塑性变形随荷载作用而逐渐累积的过程，对道床的下沉规律，各国铁路都进行了许多研究，研究资料得出道床下沉与列车通过总重的关系曲线如图2-61所示。
图2-61 道床下沉曲线
道床下沉大体可分为初期急剧下沉和后期缓慢下沉。
初期急剧下沉是道床压实阶段。道床在列车荷载作用下，道砟的密实度提高，道砟的颗粒重新排列，孔隙率减小。这个阶段道床下沉量的大小和持续时间与道砟材质、粒径、级配、捣固和夯拍的密实状况、车辆轴重等有关，一般在通过总重数百万吨之内即可完成这一阶段的道床下沉。道床初期下沉量的大小还与道床应力和道床振动加速度的大小有关。
后期缓慢下沉是道床正常工作阶段。在列车荷载作用下，此时道床仍有少量下沉，主要是由于枕底道砟颗粒克服相互之间的摩擦力，道砟向两侧流动的过程。这一阶段的下沉量与运量之间有直接关系。这一阶段的时间越长，则道床就越稳定。所以道床后期下沉的速率是衡量道床稳定性高低的指标，也是确定道床养护维修期限和标准的重要依据。
整治道床沉陷除了有计划的彻底清筛道床外，在日常工作中要加强排水，加强捣固，必要时可设置横盲沟。
2.道床脏污
道床脏污是影响道床正常工作的重要因素。形成道床脏污的原因很多，有来自外界的脏污物的侵入，如从运输矿石和煤炭车上落下的碎矿石和碎煤屑；也有来自于道砟颗粒因重复荷载、振动、摩擦和磨耗等形成的碎粒，以及来自于底砟的颗粒和路基泥浆上升至面砟中。上述污物侵入道砟中，轻则堵塞道床孔隙形成道床积水，重则形成翻浆冒泥或道床板结。在这种情况下，道床便失去弹性和降低稳定性，严重影响到道床的正常工作，因此，道床的脏污率达到一定程度时，便必须部分或全部进行清筛或更换道砟。我国铁路规定碎石或筛选卵石道砟的脏率达35％时，道砟应全部清筛或更换。
为了解决道床脏污问题，《修规》规定：道床应该经常保持饱满、均匀和整齐，并应根据道床不洁程度，结合综合维修有计划地进行清筛，尽可能保持道床弹性和排水良好。
3.道床翻浆
产生道床翻浆的原因主要是由于道床下脏污没有得到及时解决和排水不良而引起的。道床沉陷和脏污会在道床上长草，底部透过路基产生道砟囊，削弱轨道强度，在列车不断冲击下，道砟囊逐渐扩展加深，由此导致道床翻浆，而影响质量。
预防道床翻浆的主要措施，即清筛道床，保持整洁，做好道床排水工作。如涉及路基翻浆时，可设垫层，或用沥青黏土做封层，防止地面水渗入路基土壤，并封闭泥浆不使其冒出。在多雨地区还可以在路基面上铺设氯丁橡胶板，防止地面水渗入路基体或铺设渗滤布以防止路基面上泥浆上冒，严重时可采用路基换土办法解决，如图2-62所示。
图2-62 道床翻浆
4.道床沉陷
道床沉陷的原因：一是道床脏污，积水排不出去，在黏土路基地段，使路基顶面软化，道砟逐渐压入路基内，形成道床沉陷；二是道床捣固不实，存在小坑，随着列车振动，小坑又逐渐扩大，形成道床沉陷；三是道床厚度不足，或在非渗水土路基地段未按规定铺砂垫层，道砟压入路基面内形成道砟槽造成道床沉陷。
道床沉陷的整治方法：整治道床沉陷，除有计划地彻底清筛道床外，在日常工作中，要加强排水，加强捣固，必要时要增设盲沟。