铁路有砟轨道的概况与研究现状
1.有砟轨道简介
有砟轨道是指轨下基础为石质散粒道床的轨道，也就是说，铺设在铁路钢轨、轨枕之下的用于传递列车荷载的材料是一堆小石子（这些小石子的专业术语为“道砟”）。
与“有砟轨道”相对应的概念则是“无砟轨道”。在无砟轨道结构中，用于传递列车荷载的结构则采用混凝土、沥青混合料等浇筑而成的整体。
在无砟轨道出现之前，传统意义上的铁路都属于有砟轨道。典型的有砟轨道如下图[1]所示：
作为一种长度远大于另外两个维度的构筑物，铁路在研究设计中通常截取某一横断面作为研究对象。有砟轨道和无砟轨道的结构横断面一般是长这样的：
两者的本质都是将列车荷载的作用面积放大，从而减小结构内部的应力。
2.有砟轨道的存在意义
首先要知道，无砟轨道作为弥补有砟轨道的缺陷而研发的新型结构，克服了有砟轨道需要经常维修、占用轨道结构、维修成本高且周期频繁等缺点。虽说如此，无砟轨道自身也存在适应性不高、维修困难、造价高的缺点，所以留给了有砟轨道一定的生存空间，因此目前还未能全面替代有砟轨道。
另外，有砟轨道虽然落后于时代，但在无砟轨道还未累积足够的运营管理和养护维修方面的经验时，还是有其优势和存在意义。
此外，有砟轨道能存活至今并成为研究热点的最重要原因，是能够应用于重载铁路。
陆地上超大运输量的需求，比如我国山西和邻近几个省份的煤炭外运到港口，以及从巴基斯坦海港一直连接到中国西北的超大运量货运路线的规划，都要求建设能承受极大轴重的重载铁路。在重载铁路上运行的超大运输量的货运列车，虽然速度不快，但发车密度极大。多次重复施加的巨大荷载，能轻易地将无砟轨道的钢筋混凝土板碾出裂缝，也能轻易地将有砟轨道的道砟压碎或挤出。钢筋混凝土板出现裂缝后很难补救；而被压碎或挤出的道砟则能够便捷地更换和捣固，进而维持轨道的平顺稳定。因此尽管有砟轨道存在诸多缺点，但唯有它能够胜任重载铁路。随着重载铁路的发展，对于大轴重列车荷载下的有砟轨道的研究也日渐热门。
最后再讲几点道砟道床的其他优势。道砟的工程维修容易实施，只需要铲子就能铲走换新了，当然现在更多用大型养路机械来换砟。道砟道床同时还可以抵消部分振动作用、吸收噪音以及其他形式的能量等。道砟材料易得，经济实惠。以下是道砟的实物图[2]。
3.重载有砟轨道的现存问题[3]
3.1过渡段的不均匀沉降
铁路运输作为长距离的运输方式，总会经过山川河海，因此铁路除了铺设在地面上，还可能铺设在桥梁上或隧道内。铺设在地面上与铺设在桥梁上（或者隧道上）的这两种情形，从横截面来看，则是道床以下的土质路基替换成了钢筋混凝土底座。
土质路基的刚度相对较低（即容易在荷载作用下发生变形），钢筋混凝土底座的刚度较高（不易变形），换而言之，铺设在地面上的铁路区段（简称为“线路段”）与铺设在桥梁或隧道上的铁路区段（简称为“桥梁段”或“隧道段”）存在刚度的差异，由此在线路段与桥梁段（或隧道段）的交界处产生的沉降差异。
现实经验中，低速行驶的汽车能轻易克服路面的凹凸不平，K或T开头的低速客运火车也能较好地适应恶劣路况。但对于重量极大的重载货运列车以及高速行驶的高铁，过渡段的交界处不均匀沉降导致列车的动量发生突变，进而转变为对列车和对轨道的巨大冲量，已经足够引起严重的行车安全问题和轨道的损耗问题。
3.2周期进行的捣固作业对道砟的破坏
相关研究表明，有砟道床维修成本占轨道结构总体维修成本70%以上。有砟道床维修作业中有一项捣固作业，该作业通过捣固机械对道砟颗粒施加动荷载，使道砟颗粒的排列变得更为密实紧凑，提高道砟道床的各项性能，但同时，动荷载也会加速道砟破裂与老化，进而导致道砟破碎和道床横向阻力降低。
3.3道砟道床病害
（1）道砟脏污：随着铁路运营时间的增加，道砟道床会变“脏”，也就是说，道砟之间的空隙被磨损下来的道砟碎屑、枕木碎屑和撒漏的货物碎屑填满，导致道砟脏污现象（Fouled Ballast）。随着道砟脏污程度的提高，道砟道床整体的强度会变小，排水性变差。下图所示是以煤运为主的大秦铁路，道砟颗粒间被煤灰填满。
（2）飞砟：现实中无论铁轨或是车轮，都会存在一定程度的不平顺，这也是列车行车过程中发生振动的原因。另一方面，列车高速通过时，会对车体下方的道砟颗粒产生负压风载，吸引道砟颗粒克服重力而脱离地面。在列车振动和负压风载的共同作用下，毫不起眼的道砟很可能会击打造价高昂的高速列车，并引起不可控的危险；或者道砟飞起后正好落在钢轨上，当车轮碾过钢轨上的道砟时可能产生颠簸感，甚至引起列车脱轨。
冬季严寒地区线路上，列车上积雪或者冰块击打道床时，同样可能导致道砟飞溅，并引起上述的飞砟危险。
（3）翻浆冒泥：不合理的道砟颗粒级配、道砟脏污程度的提高都会引起道床排水性能下降，进而引起道床的翻浆冒泥病害。极端情况下甚至会导致道床失稳。
4.目前的研究重点[3]
（1）大轴重条件下道砟-轨枕-路基力学作用机理及本构模型研究。微观层面上道砟-轨枕-路基相互作用力学特性与机理没有得到充分解决，例如道砟-轨枕散体接触、道砟颗粒微观劣化与宏观流变性之间关系。深入研究该问题一方面能增强道床稳定性与承载力，降低养护维修成本；另一方面有助于改善或者缓解道砟劣化发生与发展，如优化轨枕刚度与形状、弹性轨枕等。
（2）有砟轨道系统相互作用机理研究。道砟道床与下部结构（路基、桥梁）及新型土工织物（包括道砟胶、道砟垫、挤塑板等）结构体系受力机理和影响规律需要进一步明确。同时道砟结构体系固化技术与结构体系作用机理亟待解决。
（3）道砟-外部机械养护维修相互作用机理与优化。捣固机械对道砟道床养护维修的破坏机理，微观破坏与维修后道床状态失稳研究，需要明确。
（4）有砟轨道结构和维修深层次理论问题。采取科学手段进行轨道状态健康监测、检测、控制及养护维修是有砟轨道发展的首要问题。为此，有必要对道砟道床作用机理及演化规律进行微观力学定量分析，研究道砟颗粒本身、道砟散体、道砟道床物理力学性质和影响规律。如将道砟道床、钢轨、路基的检测三位一体综合系统分析，更加有利于对轨道结构维修周期与维修成本优化，在现今技术条件下完全可行和必要。
参考文献或出处：
[1].图片出处：https://www.zhihu.com/collection/186571764
[2].图片出处：Geology
- rocks and minerals; Geology - rocks and minerals; Geology - rocks and minerals等，有修改。
[3]. 井国庆. 铁路有砟道床[M]. 中国铁道出版社, 2013.
