道砟大型直剪試驗(yàn)顆粒破碎定量分析

劉洋澤鵬，高睿, 2，陳靜，石知政，張榮隆

道砟大型直剪試驗(yàn)顆粒破碎定量分析

劉洋澤鵬1，高睿1, 2，陳靜1，石知政1，張榮隆1

(1.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；2. 武漢大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

鐵路道砟在受荷載作用時(shí)易發(fā)生破碎，影響道床的力學(xué)特性。為研究道砟集料在直剪條件下的破碎情況及破碎規(guī)律，利用大型直剪試驗(yàn)設(shè)備對(duì)新建鐵路一級(jí)道砟開(kāi)展不同法向壓力(15, 35, 55和75 kPa)下的直剪試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)后剪切面上下60 mm區(qū)域內(nèi)的道砟進(jìn)行篩分，分析剪切對(duì)道砟試樣級(jí)配的影響規(guī)律。采用Marsal破碎指標(biāo)，Hardin破碎指標(biāo)以及BBI破碎指標(biāo)對(duì)道砟試樣在剪切后的破碎情況進(jìn)行定量分析。研究結(jié)果表明：在直剪試驗(yàn)中，道砟在剪切面區(qū)域會(huì)發(fā)生明顯的尖角破碎，大粒徑顆粒減少，小粒徑顆粒明顯增加；隨著法向壓力的增加，3種破碎指標(biāo)均有明顯增加，表明道砟破碎加劇。

道砟破碎；直剪試驗(yàn)；級(jí)配曲線；破碎指標(biāo)

道砟是一種被廣泛應(yīng)用于有砟軌道的道床材料，具有傳遞分布列車荷載、排除路基積水、固定軌枕位置等重要作用。作為一種內(nèi)部具有缺陷的巖石材料，道砟在長(zhǎng)期受到列車循環(huán)往復(fù)荷載作用后會(huì)發(fā)生破碎、尖角折斷、磨損等不同程度的劣化，降低其承載性能、排水性能，從而影響列車行駛的舒適性與安全性[1]。為揭示道砟顆粒破碎機(jī)理，分析并預(yù)測(cè)道砟顆粒破碎后的物理力學(xué)特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。目前有關(guān)道砟破碎的研究主要采用離散元數(shù)值模擬[2?5]和物理力學(xué)試驗(yàn)[6?9]2類方法。針對(duì)道砟破碎的離散元數(shù)值模擬主要有黏結(jié)顆粒模型法(bonded particle model, BPM)[2, 4]和碎片替代法(fragment replacement method, FRM)[3, 5]2種。前者通過(guò)黏結(jié)小顆粒模擬道砟，黏結(jié)失效代表道砟破碎；后者通過(guò)預(yù)定義的破碎模式和破碎準(zhǔn)則判斷顆粒是否發(fā)生破碎，并采用小顆粒替代原有顆粒的方法對(duì)破碎進(jìn)行模擬。試驗(yàn)研究主要是對(duì)道砟進(jìn)行單顆粒平板壓碎試驗(yàn)[6]、循環(huán)荷載三軸試 驗(yàn)[7?8]、沖擊試驗(yàn)[9]等室內(nèi)試驗(yàn)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)道砟顆粒的壓碎強(qiáng)度，分析試驗(yàn)前后的道砟顆粒的級(jí)配變化，對(duì)比破碎前后道砟顆粒的形態(tài)特征，提出并計(jì)算相關(guān)破碎指標(biāo)等方法，對(duì)道砟顆粒在不同試驗(yàn)條件下的破碎規(guī)律進(jìn)行研究。目前的試驗(yàn)研究中，鮮有關(guān)于道砟直接剪切試驗(yàn)后破碎情況的研究。井國(guó)慶等[10]在對(duì)道砟進(jìn)行大型直剪試驗(yàn)的研究中發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷直剪后剪切面的部分道砟出現(xiàn)了整體破碎。Suits等[11]在土工格柵加固道砟的直剪試驗(yàn)研究中提出了剪切面破壞的兩種模式：互鎖顆粒相對(duì)滑動(dòng)和互鎖顆粒尖角破碎。Suhr等[12]對(duì)2種不同的道砟進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)試樣進(jìn)行了篩分，發(fā)現(xiàn)了明顯的顆粒破碎。以上關(guān)于道砟的直剪試驗(yàn)均在剪切后發(fā)現(xiàn)了破碎顆粒，但均缺乏對(duì)道砟破碎情況系統(tǒng)定量的分析。由于直接剪切試驗(yàn)操作較為簡(jiǎn)單且能提供較為豐富的數(shù)據(jù)，常被用于道砟材料離散元模型的參數(shù)標(biāo)定。然而在參數(shù)標(biāo)定模型中卻缺乏對(duì)顆粒破碎的考慮，難以得到同時(shí)吻合各法向壓力試驗(yàn)結(jié)果及剪切全過(guò)程曲線的離散元模型細(xì)觀參 數(shù)[12]。因此，道砟直剪試驗(yàn)破碎的深入分析對(duì)離散元模型細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定具有重要意義。本文利用自主研制大型直剪試驗(yàn)設(shè)備對(duì)新建鐵路一級(jí)道砟開(kāi)展不同法向壓力下的直剪試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)剪切后的道砟顆粒進(jìn)行篩分，揭示剪切后道砟級(jí)配的變化規(guī)律，并通過(guò)計(jì)算不同的破碎指標(biāo)，對(duì)道砟顆粒在不同法向壓力下的破碎進(jìn)行了定量分析。

1 直剪試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本研究采用一套自主設(shè)計(jì)的大型道砟直剪設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1所示。該直剪設(shè)備可以有效避免大粒徑顆粒材料直剪試驗(yàn)中尺寸效應(yīng)的影響。設(shè)備由反力系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、裝樣系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集測(cè)量系統(tǒng)4個(gè)部分構(gòu)成。其中反力系統(tǒng)包括豎向反力架及水平反力底座；加載系統(tǒng)包括水平、豎向千斤頂以及與其相連的液壓千斤頂伺服控制設(shè)備；裝樣系統(tǒng)包括上剪切盒(600 mm×600 mm×280 mm)及下剪切盒(700 mm×600 mm×250 mm)；數(shù)據(jù)采集測(cè)量系統(tǒng)包括水平、豎向位移傳感器，水平、豎向壓力傳感器以及與傳感器連接的靜態(tài)應(yīng)變儀。

圖1 大型直剪設(shè)備3D示意圖

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)道砟取自湖北武漢地區(qū)某在建鐵路一級(jí)道砟。經(jīng)測(cè)量，道砟比重為2.66，壓實(shí)密度約為1 432 kg/m3。根據(jù)《鐵路碎石道砟》TBT_2140-2008的規(guī)定，新建鐵路一級(jí)道砟的標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配和試驗(yàn)所用道砟的實(shí)測(cè)級(jí)配如圖2所示。道砟在進(jìn)行試驗(yàn)前，需用清水對(duì)道砟表面進(jìn)行清洗，并充分干燥。

1.3 試驗(yàn)步驟

本研究直剪試驗(yàn)具體步驟為：1) 搭建直剪試驗(yàn)平臺(tái)，安裝反力架、豎向千斤頂、水平千斤頂、直剪盒等裝置；2) 稱取一定質(zhì)量的道砟分次裝入剪切盒中，并分層夯實(shí)，每層夯實(shí)厚度不大于100 mm。裝樣完成后對(duì)試樣密度進(jìn)行測(cè)量，確保各組試樣密度基本一致。3) 采用100 kPa豎向壓力對(duì)道砟試樣預(yù)壓1 min，以壓實(shí)道砟試樣；4) 對(duì)4組道砟試樣分別施加四組不同的法向壓力(15，35，55和75 kPa)，并保持壓力穩(wěn)定，以3 mm/min的速度緩慢推動(dòng)下盒進(jìn)行剪切，同時(shí)對(duì)剪切應(yīng)力應(yīng)變以及頂板的豎向位移進(jìn)行記錄；5) 當(dāng)剪切應(yīng)變達(dá)到10%時(shí)停止剪切，分層取出道砟，并對(duì)剪切面區(qū)域的道砟進(jìn)行篩分，確定級(jí)配。

圖2 試樣級(jí)配曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 剪切強(qiáng)度及變形特性分析

不同法向壓力下道砟試樣的剪切應(yīng)力?剪切位移關(guān)系曲線如圖3所示。隨著剪切位移的增大，剪切應(yīng)力逐漸上升后趨于穩(wěn)定，在10%的剪切應(yīng)變內(nèi)沒(méi)有明顯的下降。不同法向壓力下道砟頂面的豎向位移?剪切位移關(guān)系曲線如圖4所示，圖中豎向位移為負(fù)值代表樣本剪縮，豎向位移為正值代表樣本剪脹。由于制備的道砟試樣較為密實(shí)，試樣在各法向壓力下均沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的剪縮，在剪切開(kāi)始后迅速出現(xiàn)剪脹。對(duì)比不同法向壓力下道砟試樣的強(qiáng)度及變形特征發(fā)現(xiàn)，隨著法向壓力的增加，剪切應(yīng)力及其上升速度增加，剪脹位移和剪脹角減小，結(jié)果與已有散體材料直剪試驗(yàn)[10, 13]規(guī)律一致。

2.2 剪切面破碎情況及級(jí)配分析

鐵路道砟由開(kāi)山塊石破碎生產(chǎn)，內(nèi)部具有缺陷，在外荷載的作用下容易發(fā)生破壞，生成不同形狀和大小的顆粒。根據(jù)破碎程度的不同，道砟的破碎可以分為3種類型：道砟顆粒主體破裂、道砟尖角折斷、道砟表面磨損[1]。

圖3 剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

圖4 豎向位移-剪切位移曲線

為探究道砟經(jīng)歷直接剪切后的破碎形態(tài)及破碎類型，在直剪試驗(yàn)加載結(jié)束后，分層取出加載試樣，對(duì)剪切面道砟的破碎情況進(jìn)行觀察。剪切后不同法向壓力下道砟剪切面破碎情況如圖5所示。道砟經(jīng)歷剪切后，3種破碎類型均有出現(xiàn)，但由于試驗(yàn)條件限制，難以對(duì)由道砟磨損形成的細(xì)微顆粒進(jìn)行定量分析，因此本文僅對(duì)道砟的整體破碎和尖角折斷進(jìn)行分析。由圖5可以看出，法向壓力較低(=15 kPa)時(shí)，剪切面道砟在剪切后較為完整，未發(fā)現(xiàn)主體破裂，由尖角破碎產(chǎn)生的小顆粒較少。隨著法向壓力的增加，少部分道砟在剪切后出現(xiàn)主體破裂，由尖角破碎產(chǎn)生的小顆粒大量出現(xiàn)，且多集中在下剪切盒移動(dòng)方向的后部。

(a) 15 kPa；(b) 35 kPa；(c) 55 kPa；(d) 75 kPa

由于道砟在剪切過(guò)程中主要依靠剪切面承擔(dān)荷載，剪切面區(qū)域道砟破碎較其他區(qū)域更為明顯且具代表性，因此本研究將剪切面上下60 mm高度內(nèi)的道砟取出進(jìn)行篩分，分析由破碎引起的級(jí)配變化規(guī)律。剪切面區(qū)域道砟級(jí)配曲線如圖6所示。由圖6可以看出，相對(duì)于初始級(jí)配曲線，剪切后的級(jí)配曲線均發(fā)生了向左和向上的移動(dòng)，表明道砟顆粒發(fā)生破碎。隨著法向壓力的增加，道砟級(jí)配曲線逐漸向上移動(dòng)，小顆粒含量增加，符合圖5中不同法向壓力下剪切面的破碎狀態(tài)。

為分析剪切前后各粒組質(zhì)量的變化情況，本文計(jì)算了各粒組在剪切前后過(guò)篩質(zhì)量百分率的差值：

式中：W為剪切后某粒組的過(guò)篩質(zhì)量百分率；W為剪切前該粒組的過(guò)篩質(zhì)量百分率。

剪切前后道砟各粒組過(guò)篩質(zhì)量百分率的變化情況如圖7所示。道砟顆粒在經(jīng)歷直剪后，整體表現(xiàn)出小粒徑顆粒含量增加，大粒徑顆粒含量減少的趨勢(shì)。隨著法向壓力的增加，小粒徑顆粒含量增加的趨勢(shì)更為明顯。值得注意的是，當(dāng)法向壓力為15， 35和55 kPa時(shí)，粒徑小于16 mm的顆粒含量較剪切前少。這是由于在直剪以及人工撿出道砟顆粒的過(guò)程中，不可避免的會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，導(dǎo)致粒徑較小的顆粒向下落入顆粒間孔隙中，從而使篩分得出的剪切面區(qū)域小粒徑顆粒含量減少。

圖6 各法向壓力剪切后剪切面道砟級(jí)配圖

圖7 剪切后各粒組顆粒過(guò)篩質(zhì)量百分率變化

2.3 破碎指標(biāo)分析

為定量評(píng)價(jià)顆粒材料的破碎情況，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于加載前后顆粒材料的級(jí)配的變化情況定義了諸多顆粒破碎指標(biāo)，如Marsal破碎指標(biāo)B[14]，Hardin破碎指標(biāo)B[15]以及適用于道砟顆粒破碎的BBI(Ballast Breakage Index)指標(biāo)[7]等。本文通過(guò)對(duì)上述3種破碎指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)不同法向壓力下道砟顆粒剪切后破碎情況進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。

Marsal破碎指標(biāo)B定義為：

式中：ΔW為式(1)計(jì)算的各粒組在剪切前后過(guò)篩質(zhì)量百分率的差值，sgn()為根據(jù)ΔW正負(fù)判斷的符號(hào)函數(shù)。

Hardin破碎指標(biāo)B以及道砟顆粒破碎指標(biāo)BBI可以通過(guò)試樣破碎前后的級(jí)配曲線與指定破碎邊界圍成的面積計(jì)算，B及BBI的破碎邊界如圖8所示。在Hardin[15]的研究中，計(jì)算B破碎指標(biāo)采用的破碎下限為0.074 mm；在Indraratna等[7]的研究中，計(jì)算BBI指標(biāo)采用的破碎下限和上限分別為2.36 mm和初始級(jí)配曲線的95值。在本研究中，剪切后篩分得到的道砟最小粒徑為5 mm，因此將2種破碎指標(biāo)的破碎下限均確定為5 mm。為保證BBI指標(biāo)的破碎邊界與剪切后的級(jí)配曲線不相交，本文將BBI指標(biāo)的破碎上限確定為初始級(jí)配曲線的90值。

圖8 破碎指標(biāo)計(jì)算示意圖

式中：B為剪切后級(jí)配曲線與初始級(jí)配曲線圍成的面積；B為初始級(jí)配曲線與Hardin破碎指標(biāo)邊界圍成的面積；BB為初始級(jí)配曲線與BBI破碎指標(biāo)邊界圍成的面積。

根據(jù)圖6和圖7及式(2)~(5)計(jì)算得到的直剪試驗(yàn)后剪切面道砟顆粒的3種破碎指標(biāo)隨法向壓力的變化關(guān)系如圖9所示。由圖9可以看出，3種破碎指標(biāo)均呈現(xiàn)同一趨勢(shì)，隨著法向壓力的增加，破碎指標(biāo)逐漸增大，表明道砟整體的破碎量逐漸增加。在不同的法向壓力作用下，道砟試樣在直剪試驗(yàn)中具有不同的破壞模式。當(dāng)法向壓力較小時(shí)，道砟顆粒之間的咬合不緊密，試樣破壞主要是由道砟顆粒之間的滑移或轉(zhuǎn)動(dòng)引起。當(dāng)法向壓力增加，道砟顆粒移動(dòng)受到限制，顆粒之間的咬合程度增加。隨著試驗(yàn)進(jìn)行，當(dāng)單個(gè)顆粒的強(qiáng)度不足以抵抗咬合力時(shí)，顆粒發(fā)生破碎與重排，形成新的咬合。當(dāng)大部分顆粒的強(qiáng)度不足以抵抗咬合力時(shí)，試樣發(fā)生破壞。這也是高法向壓力下試樣剪脹位移和剪脹角相對(duì)于低法向壓力小的原因之一。

對(duì)比3種破碎指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，BBI指標(biāo)對(duì)法向壓力的變化更為敏感。這是因?yàn)橄嚓P(guān)研究表明，道砟試樣在加載破碎后，級(jí)配最終會(huì)趨向于分形級(jí) 配[16-18]。而B(niǎo)BI指標(biāo)確定的破碎邊界更加靠近道砟破碎的分形級(jí)配曲線，因此更適用于評(píng)價(jià)道砟顆粒的破碎。

圖9 不同法向壓力試樣破碎指標(biāo)

3 結(jié)論

1) 隨著法向壓力的增加，大型道砟直剪試驗(yàn)的剪切應(yīng)力增加，剪脹位移減小。

2) 道砟直接剪切試驗(yàn)會(huì)使剪切面區(qū)域顆粒發(fā)生破碎，且破碎多為道砟顆粒尖角破碎。剪切后的道砟顆粒級(jí)配曲線向上移動(dòng)，大粒徑顆粒含量減小，小粒徑顆粒含量增加。

3) 3種破碎指標(biāo)均隨著法向壓力的增加有不同程度的上升，表明道砟顆粒在高法向壓力下的破碎量增加。3種破碎指標(biāo)中，BBI指標(biāo)對(duì)法向壓力的增加較為敏感，更適用于道砟破碎的評(píng)價(jià)。

4) 道砟試樣在不同法向壓力的直剪試驗(yàn)中具有不同的破壞模式，即低法向壓力下主要由顆?；埔?，高法向壓力下主要由顆粒破碎引起。在采用直剪試驗(yàn)對(duì)道砟離散元參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮由此產(chǎn)生的影響。

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Quantitative analysis of particle breakage in large-scale direct shear test of ballast

LIU Yangzepeng1, GAO Rui1, 2, CHEN Jing1, SHI Zhizheng1, ZHANG Ronglong1

(1. School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2. The Key Laboratory of Safety for Geotechnical and Structural Engineering of Hubei Province, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Ballast particles are apt to break under loads, thus affecting the mechanical behavior of railway ballast bed. In order to study the breakage status and breakage laws of ballast particle under direct shear conditions, a large-scale direct shear apparatus was developed and a series of direct shear tests were conducted on the Class I ballast from newly-built railway under different normal pressure levels (i.e., 15, 35, 55 and 75 kPa). Through the mechanical sieve analysis on the ballast within the region of 60 mm above and below the shear plane after the test, the influence of shearing on the gradation variation was analyzed. Marsal’s breakage index, Hardin’s breakage index and Ballast breakage index (BBI) were adopted to quantitatively evaluate the breakage status of ballast particles after shearing. The results show that distinct ballast particle corner breakage occurs around the shear plane after direct shearing, as evident from the decrease of the amount of large sized particles and the obvious increase of the amount of small sized particles. It is also found that all three breakage indices increase with the increase of normal pressure, indicating escalating ballast particle breakage.

ballast breakage; direct shear test; particle size distribution; breakage index

U213.7+2

A

1672 ? 7029(2020)08 ? 1943 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190880

2019?10?10

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51878521，51178358)

高睿(1975–)，男，湖北武漢人，教授，博士，從事交通巖土工程，離散元理論及數(shù)值分析方法等方面的工作；E?mail：gaorui@whu.edu.cn

(編輯 涂鵬)