引用本文
高亮, 徐旸, 殷浩. 脏污材质对散体道床剪切力学性能影响的试验研究[J]. 北京交通大学学报, 2017,41(1): 1-6.
GAO Liang, XU Yang, YIN Hao. Experiment research of shear behavior of railway ballast influenced by different fouling materials[J]. JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY, 2017,41(1): 1-6.
Doi:10.11860/j.issn.1673-0291.2017.01.001  
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脏污材质对散体道床剪切力学性能影响的试验研究
高亮a,b, 徐旸a,b, 殷浩a,b
北京交通大学 a.土木建筑工程学院,b.轨道工程北京市重点实验室,北京 100044

第一作者:高亮(1968—),男,山东滕州人,教授,博士,博士生导师.研究方向为高速铁路及城市轨道交通轨道工程.email:lgao@bjtu.edu.cn

收稿日期: 2016-08-01
基金: 国家自然科学基金重点项目(U1234211); 国家自然科学基金面上项目(51578053,51578055); 中央高校基本科研业务费(C15RC00120); 北京市科技新星计划(XX2013012)
摘要

道床脏污会影响道床的剪切力学特性.为揭示脏污材质对道床剪切力学性能的影响规律,通过自主研发的大型铁路碎石道砟直剪仪,对道砟集料进行直剪试验.分析了不同道床脏污材质及脏污程度对道床平均剪应力、最大剪应力和最大剪胀位移等参数的影响.研究结果表明,煤灰和黄沙所构成的道床脏污均会使散体道床剪切力学性能显著降低;煤灰脏污对散体道床剪切力学性能的削弱作用比黄沙脏污更明显.

关键词: 散体道床; 道床脏污; 直剪试验; 力学性能
中图分类号:U213.7 文献标志码:A
Experiment research of shear behavior of railway ballast influenced by different fouling materials
GAO Lianga,b, XU Yanga,b, YIN Haoa,b
a.School of Civil Engineering,b.Key Laboratory of Track Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China
Fund:National Natural Science Foundation of China(U1234211, 51578053, 51578055); Fundamental Research Funds for the Central Universities(C15RC00120); Beijing Nova Program(XX2013012)
Abstract

Ballast fouling will affect the shear behavior of ballast bed. In order to reveal the influencing regularity of fouling materials on the shear behavior of railway ballast, a large scale direct shear apparatus dedicated for railway ballast was developed, and direct shear tests were conducted to study the effects of different ballast fouling materials and different ballast fouling ratios on average shearing stress, the maximum shearing stress and the maximum shear dilatation displacement of ballast. The results show that both the coal ash fouled ballast and the sand fouled ballast result in poor shear mechanical characteristics of ballast bed. And the effects of coal ash is larger than sand in terms of reducing the shear behavior of ballast bed.

Keyword: ballast bed; ballast fouling; direct shear test; mechanical characteristic

散体道床作为有砟轨道的重要组成部分, 其服役状态是决定线路能否平稳和安全运营的关键因素[1].由于散体道床的散粒体结构特性, 道床内部存在一定的空隙.在其服役过程中, 细小颗粒会逐渐侵入道砟间的空隙并发生沉积, 形成道床脏污的现象.Selig等[1]研究发现, 道砟在荷载作用下破碎粉化产生的脏污, 以及外部粉尘侵入而导致的脏污共占道床总脏污的76%, 其中由于外部粉尘的侵入所形成

累积脏污是造成道床脏污的主要原因之一.道床脏污按侵入的材质可大致分为两类:一是由线路运营过程中货物和扬尘等粉尘散落在道床上, 并在雨水等作用下逐渐形成的道床脏污, 如图1(a)所示, 这种类型脏污在大秦线和神朔线等运煤铁路线上较为严重; 二是风沙灌入散体道床空隙形成的道床沙化, 多发生在风沙地区, 如图1(b)所示.

图1 不同材质的道床脏污Fig.1 Railway ballast bed fouled by different materials

道床脏污发展到一定程度, 道床纵横向阻力、道床弹性、排水性能和抗冻性能将降低, 还会引发其他相关的道床病害, 如道床板结和翻浆冒泥等.针对道床脏污现象, 国内外学者开展了大量研究工作.

Huang等[2]采用离散元法从理论角度研究了道床脏污对散体道床力学性能的影响规律, 结果表明道床的累积脏污会显著降低道床的力学性能, 其中对道床抗剪强度的影响最为显著. Yu Qian等[3]通过室内洛杉矶磨耗试验对道砟颗粒粉化率与道床脏污之间的关系进行了研究.Indraratna等[4, 5, 6]采用数值仿真的手段对新、老道砟集料的剪切力学性能进行了研究, 但并未考虑不同脏污材质的影响.严颖等[7, 8, 9, 10]采用由数个球单元组合而成的粘结单元对道砟颗粒进行了模拟, 并对不同含沙率条件下道砟集料弹性模量的变化规律进行了研究.许永贤等[11]研究了国内外道砟采石场当前采用的主要工艺, 并分析了各种工艺的适用条件, 认为采用合理的水洗工艺来提高道砟的清洁度是延长道床使用寿命和清筛周期的有效方法.Tutumluer等[12, 13, 14]采用煤灰作为典型脏污材料, 通过室内直剪试验研究了脏污对道床剪切性能的影响.Nimbalkar等[15]通过在洁净道砟集料中掺入煤灰的方法对不同脏污程度的散体道床进行了模拟, 并采用三轴试验研究了煤灰颗粒对散体道床累积沉降性能的影响规律, 研究结果表明, 道床脏污率会显著影响散体道床的沉降特性及道床的抗剪切强度.

实际情况中, 不同线路的道床脏污来源有所不同, 而已有的国内外研究仅是对同一脏污材质, 不同脏污程度的道床力学性能差异进行研究, 分析对象过于单一.为综合研究脏污材料对散体道床剪切力学性能的影响规律, 本文作者通过自主研发的道砟直剪仪, 对不同脏污材质和脏污程度的道砟集料进行了试验研究.分析了道床平均剪应力、最大剪应力和最大剪胀位移等参数的变化规律.

1 试验仪器设计

岩土体在荷载作用下的失稳主要由剪切破坏引起, 国内外学者通常采用直剪仪来测定岩土体静载条件下的剪切强度.然而碎石道砟相比于传统的岩土材料具有强度高和粒径大等特点, 是一种特殊的岩体集料, 因此传统的直剪仪无法满足碎石道砟的试验要求.为测定脏污材质对道砟集料剪切力学性能的影响, 本文作者自主研发了一套专门适用于铁路碎石道砟的直剪仪器, 其结构如图2所示.

图2 自主研发的道砟直剪仪器结构图Fig.2 Structure of independent-developed ballast direct shear apparatus

图2中仪器部件及功能按编号依次为:1.水平推力千斤顶, 用于施加水平推力; 2.水平压力传感器, 用于记录水平推力随水平推移量的变化规律; 3.千斤顶反力底座, 用于提供水平推力反力; 4.侧向抗弯矩加强板, 用于确保底板的弯曲强度; 5.竖向加载器, 用于提供恒定的竖向荷载; 6.水平推移板及钢滚轴, 用于减小剪切盒发生水平位移时所产生的摩擦力; 7.道砟上剪切盒; 8.道砟下剪切盒; 9.反力底座; 10.千斤顶数控油压设备, 用于提供稳定的水平推力; 11.竖向荷载传感器, 用于记录上顶板所施加的荷载; 12.数据实时采集器; 13.上剪切盒竖向位移传感器, 用于记录道砟试样剪胀位移随时间的变化规律; 14.水平位移传感器, 用于记录水平剪切位移随时间的变化规律; 15.钢滚珠, 用于消除上下剪切盒之间的摩擦力; 16.加力架反力横梁; 17.加力架立柱; 18.数据实时显示计算机.

本仪器为上移式直剪仪, 即在测试道砟的直剪性能时, 主要对上剪切盒施加水平荷载, 并记录上剪切盒位移随水平荷载的变化曲线.下剪切盒通过限位卡槽固定于剪切底板之上.在测试时, 道砟试件受竖向和水平的两向荷载, 其中竖向荷载由置于反力横梁和上剪切盒顶板间的荷载加载器提供.水平荷载由具有数控油压设备的千斤顶提供, 以确保水平荷载匀速施加.

在反力架加载头与上剪切盒的顶板之间安设竖向应力传感器, 用于测量反力加载头所提供的垂向力.在千斤顶底部设有水平应力传感器, 以实时监测并记录试件的剪切应力.上下两剪切盒之间设有钢珠滑动层以消除剪切盒间的摩擦力对于试验结果的影响.上、下剪切盒均为金属方形框, 壁厚20 mm, 内径边长为500 mm, 仪器结构及现场直剪试验图如图3所示.

图3 仪器结构图及现场直剪试验Fig.3 Sketch of apparatus and laboratoryballast direct shear test

2 直剪试验方案设计

为研究不同脏污率条件下散体道床的剪切力学性能, 本文采用掺入不同比例脏污成分的方式对脏污道床进行模拟, 道砟集料的体积脏污率按照下式进行计算:

φ=mc/ρcVS-mb/ρb(1)

式中:φ 为道砟集料的体积脏污率; VS为直剪盒内空间体积, 取由上、下两直剪盒所围成的总空间体积0.125 m3; mb为待测道砟试样总质量; mc为试验前称重得到的脏污材料质量; ρ b为道砟颗粒的密度, 取2 600 kg/m3; ρ c为脏污材料的密度, 煤灰脏污取800 kg/m3, 黄沙脏污取1 600 kg/m3.

通过道砟集料的直剪试验, 分析比较不同脏污材质和不同脏污率对道床剪切性能的影响, 脏污分别以煤灰和黄沙模拟, 如图4所示.

图4 不同脏污材质的道床直剪试验Fig.4 Direct shear tests of different materials fouling ballast

通过改变不同煤灰掺入质量以模拟不同脏污程度的煤灰脏污道床; 通过改变不同的黄沙掺入量以模拟不同含砂率的含沙铁路道床.本文对以下3种工况的道砟集料进行了直剪试验:1)不添加脏污的洁净道砟集料; 2)煤灰脏污条件下, 体积脏污率分别为15%、30%和45%; 3)黄沙脏污条件下, 体积脏污率分别为15%、30%和45%.

所采用试验设备主要包括:笔记本电脑1台, 位移传感器2个, 压力传感器2个, 电动液压千斤顶1台, 东华动态数据采集仪1台, 加力架、固定支架、垫铁、钢卷尺, 以及其他设备和辅助材料.

选用符合特级道砟材质和级配标准的道砟试样进行试验.具体步骤为:1)搭建直剪仪测试平台, 固定上、下剪切盒, 并设置侧向钢滚珠, 以消除盒间摩擦力; 2)准备待测道砟试样, 筛分并记录试样的过筛质量百分比, 将道砟放进剪切盒中, 并按照分层填筑的方式进行压实捣固; 3)安装水平和竖向压力传感器和位移传感器, 通过数据线将传感器与数据采集器及电脑相连接, 以便对试验数据进行实时观测; 4)当所有的传感器连接完成后, 先对上剪切盒的承载板施加一定的垂向力, 以压实试件, 并通过电脑查看各个传感器是否能够正常采集数据.设备均调试完成后, 向竖向加载头加载直至达到预定的压力值, 待试件稳定后, 开始对上剪切盒以0.05 mm/s的速度缓慢施加水平位移, 并随时观测传感器所测得的数据.直至上剪切盒内的道砟出现破坏或水平位移达到10 cm, 即停止水平方向的加载, 试验结束.

在试验准备阶段对道砟试样进行筛分, 得到表1所示待测道砟试样的过筛质量百分比, 道砟试样级配符合高速铁路特级道砟级配标准, 后文数值模型中的颗粒级配亦照此生成.

表1 试验道砟级配百分比 Tab.1 Percentage of experimental ballast gradation
3 数值仿真模型

由于仅采用室内试验的手段难以从细观角度揭示脏污材质对道砟颗粒间相互作用机理的影响规律, 本文作者还结合数值仿真的手段进行了研究.由于在前期研究中[16, 17]已对基于离散单元法的直剪数值模型的构建方法进行了详细的介绍, 此处不再赘述.所建立的基于真实道砟颗粒外形的脏污直剪数值模型如图5所示.数值模型中的道砟颗粒级配按照与表1中的实测结果进行生成, 并确保在仿真过程中的水平位移速度和顶面荷载量值等实验参数均与室内试验相同.

图5 道砟颗粒离散元模型Fig.5 DEM model of ballast

图5(a)为基于三维激光扫描法获得的真实道砟颗粒外形, 图5(b)为基于离散单元法所生成的组合颗粒单元, 图中的黑色小球为脏污颗粒.由于道砟颗粒间的平均接触点数是反映道砟颗粒细观接触状态的重要参数, 本文采用离散元数值模型对不同脏污条件下的道砟直剪室内试验进行了模拟, 并对颗粒的平均接触点数进行了分析.

4 结果分析

采用直剪试验仪对不同体积脏污率的道砟集料在3种顶面荷载(100 kPa、200 kPa和300 kPa)作用下分别进行室内试验, 取其均值作为剪切力学性能的测试结果, 则不同体积脏污率的煤灰脏污道砟集料的平均剪应力-位移曲线如图6所示.

图6 煤灰脏污对道床剪切力学性能的影响Fig.6 Influence of coal ash on ballast shear behavior

由图6可以看出, 脏污道床的剪切力学性能随道床中煤灰含量的增加而减小, 不同体积脏污率的煤灰脏污对道砟集料剪切力学性能的影响规律实测数据统计结果及基于数值仿真的颗粒间平均接触点数统计结果见表2.

表2 煤灰脏污下道床的剪切力学性能 Tab.2 Shear behavior of coal ash fouled ballast

通过对比图6及表2中的数据可知, 煤灰脏污会显著降低散体道床的力学性能, 当煤灰的体积脏污率达到45%时, 道砟集料的剪切强度相比于洁净道床约降低了24%.

不同体积脏污率的黄沙脏污道砟集料的平均剪应力-位移曲线如图7所示.

图7 黄沙脏污对散体道床剪切力学性能的影响Fig.7 Influence of sand on ballast shear behavior

可见, 与煤灰对脏污道床的影响规律相似, 黄沙脏污影响下道砟集料剪切力学性能及颗粒间平均接触点数结果见表3.

表3 黄沙脏污下道床的剪切力学性能 Tab.3 Shear behavior of sand fouled ballast

通过对比图7及表3中数据可知, 当脏污材质为黄沙时, 同样会降低散体道床的力学性能, 但就削弱程度而言, 逊于煤灰脏污.当黄沙的体积脏污率达到45%时, 道砟集料的剪切强度比于洁净道床约降低了20%.

对比表2和表3中两种脏污材质影响下道砟集料的剪胀位移可以发现, 当体积脏污率达到15%以上时, 两种材质的脏污均会引起道砟集料的剪胀位移量增大, 这主要是由于脏污成分填充了道砟颗粒间的空隙, 细观上减小了道砟颗粒在剪切过程中重新排列的空间; 通过对比体积脏污率同为45%时两种材质的脏污对道砟集料剪胀位移的增量可以发现, 由煤灰脏污所引起的剪胀位移增量约为12%, 而由黄沙脏污所引起的剪胀位移增量却高达46%.这主要与两种材质的宏观弹性模量有关, 由于煤灰材料颗粒强度较低, 因而在外力作用下更容易因材料内部孔隙被挤压而产生体积压缩, 而且不利于道床的排水, 如养护维修不善, 则容易引起道床板结等病害; 而黄沙材料颗粒主要由细粒径岩石组成, 具有较高的强度, 因而在外力作用下材料内部孔隙结构更难以被破坏, 故所产生的宏观体积压缩量较小, 与煤灰脏污相比更有利于道床排水.

对比表2和表3中两种脏污材质影响下道砟集料的平均接触点数可以发现, 颗粒间的平均接触点数均会随道床体积脏污率的增大而增加, 说明两种脏污材料均会使得道砟颗粒间的接触趋于均匀.当脏污成分为黄沙颗粒时, 对道砟间接触均匀化的作用更为明显.

综合来看, 两种脏污材质均会引起散体道床的剪切力学性能下降, 但两种材质对道砟集料细观力学机理的影响规律却存在一定的差异.研究结果表明, 由煤灰所引起的道床脏污对散体道床更为不利.因此, 在评估道床的脏污率时, 还应考虑脏污材料的特性.

5 结论

为研究道砟脏污材质对散体道床剪切力学性能的影响规律, 本文作者自主研发了应用于铁路碎石道砟的直剪仪器, 采用该直剪仪对不同脏污材质和脏污程度道砟集料的剪切力学性能进行试验研究, 得到以下结论.

1)煤灰和黄沙所构成的道床脏污均会引起道砟集料的平均剪应力、最大剪应力下降和剪胀位移量增大, 削弱散体道床的剪切力学性能.

2)煤灰材质所引起的道床脏污对散体道床剪切力学性能的削弱作用大于黄沙脏污.相比于洁净道床而言, 45%体积脏污率的煤灰脏污道床的剪切力学性能约降低24%, 相同体积脏污率的黄沙脏污道床的剪切力学性能约降低20%.

3)两种脏污形式的道床在受压作用下的力学特性有所不同, 煤灰脏污在外力作用下产生了较大的体积压缩, 因而更容易削弱道床的排水性能.而黄沙颗粒具有较高的强度, 因而在外力作用下所产生的宏观体积压缩量较小, 散体道床内部的孔隙率更高, 从而对道床排水性能的影响较小.这说明在对道床的脏污率进行评估时还需结合脏污材料特性进行综合分析.

The authors have declared that no competing interests exist.

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