重載鐵路道砟旋轉(zhuǎn)壓實特性及參數(shù)優(yōu)化試驗研究

王萌，肖源杰, 2，盧小永，暢振興，陳曉斌, 2，古牧，葉新宇

重載鐵路道砟旋轉(zhuǎn)壓實特性及參數(shù)優(yōu)化試驗研究

王萌1，肖源杰1, 2，盧小永4，暢振興1，陳曉斌1, 2，古牧3，葉新宇1

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075；3. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；4. 大秦鐵路股份有限公司 科學(xué)技術(shù)研究所，山西 太原 030013)

級配較為均勻的道砟顆粒的壓實質(zhì)量對重載鐵路道床的服役性能起著至關(guān)重要的作用。然而，目前尚無統(tǒng)一的標準或規(guī)范可用于指導(dǎo)和控制道砟材料的室內(nèi)外壓實質(zhì)量。針對道砟的室內(nèi)壓實特性，在重載鐵路特級道砟規(guī)范級配范圍內(nèi)選取3種不同的代表性級配以及其他3種不同堆積類型的級配碎石級配，分別在不同的含水率和壓力水平下開展室內(nèi)擊實和旋轉(zhuǎn)壓實試驗，評價不同級配、含水率、旋轉(zhuǎn)壓實壓力和旋轉(zhuǎn)次數(shù)等因素對道砟材料壓實效果和特性的影響。研究結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)壓實過程可分為初始壓密、旋轉(zhuǎn)壓密和穩(wěn)定3個階段，級配類型對于旋轉(zhuǎn)壓實階段劃分的影響較大，粗顆粒含量越多旋轉(zhuǎn)壓密階段越長；縮放道砟級配的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)壓實參數(shù)為：含水率1.5%，壓強800 kPa和旋轉(zhuǎn)壓實61次；旋轉(zhuǎn)壓實壓強的增大和粗顆粒含量的增多均會導(dǎo)致試樣顆粒破碎率增大。研究成果可為重載鐵路道砟材料的密實和現(xiàn)場搗固作業(yè)提供參考。

旋轉(zhuǎn)壓實；縮放道砟；壓實特性

重載鐵路有砟道床質(zhì)量的好壞直接影響其穩(wěn)定性、安全性、舒適性和耐久性，而影響有砟道床質(zhì)量的因素很多，諸如道砟的類型、級配和壓實度等[1?3]。其中道砟的壓實程度與有砟道床的服役性能有著較為密切的關(guān)系，故有必要開展有砟道床道砟層壓實機理和壓實方法打的研究，進而為重載鐵路有砟道床的搗固作業(yè)密實機理和作業(yè)方式提供技術(shù)參考。在重載鐵路運營過程中，最嚴重的問題之一便是道床的沉降變形，而引起道床沉降變形的重要因素之一便是道砟顆粒破碎所引發(fā)的變形破壞[4?5]。因此，國內(nèi)外學(xué)者紛紛采取相應(yīng)措施力求最大限度地減少道砟顆粒破碎量。Lobo-Guerrero 等[6]建立可破碎道砟的道床整體模型，研究道床的累積沉降與道砟破碎的關(guān)系。徐旸等[7]從細觀角度揭示了道砟顆粒破碎對散體道床性能的影響規(guī)律。在有砟道床施工和養(yǎng)護維修作業(yè)過程中，搗固密實作業(yè)引起的道砟破碎占道砟破碎總量的20%左 右[8]。因此，研究壓實過程中道砟顆粒的破碎情況尤為重要。近年來，國內(nèi)外對于擊實和壓實試驗及其機理等已進行了一系列的研究，主要集中于重錘擊實法和振動擊實法的對比試驗、壓實度的影響因素和壓實性能的宏觀評價指標等幾個方面[9?11]。也有不少國內(nèi)外學(xué)者開始借鑒瀝青混合料的旋轉(zhuǎn)壓實方法，就水泥穩(wěn)定碎石材料展開了旋轉(zhuǎn)壓實的系統(tǒng)性研究[12]。祝鳳丹等[13]通過旋轉(zhuǎn)壓實成型試樣，結(jié)果表明試樣的干密度、含水率和7 d無側(cè)限抗壓強度隨著壓實次數(shù)和水泥含量的增加而增加。李立寒等[14]探討了旋轉(zhuǎn)壓實成型過程中水泥穩(wěn)定碎石混合料組成設(shè)計的可行性，結(jié)果表明，影響水泥穩(wěn)定碎石性能的因素中成型方法是關(guān)鍵，旋轉(zhuǎn)成型方法具有最佳的物理和力學(xué)性能。鐵路道砟作為一種典型的散體粗顆粒材料，現(xiàn)場通常采用搗固的方式進行密實作業(yè)。搗固作業(yè)過程中大小各異的道砟相互之間由靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ粒理念w粒開始重新排列并互相錯位靠近；同時，道砟顆粒受到瞬時力的作用出現(xiàn)部分破碎，破碎的小顆粒填充道砟空隙，道砟顆粒繼而彼此朝著新的穩(wěn)定堆積狀態(tài)發(fā)生相對運動；在搗固機具的夾持和振動聯(lián)合作用下(如圖1)[15]，小粒徑道砟和破碎的道砟顆粒填充道砟空隙，使道砟整體排列緊密，孔隙率減小[16?18]。而常見的室內(nèi)壓實方法(例如靜壓擊實和振動擊實等)都只能在豎向力的作用下使得顆粒之間不斷擠壓、破碎，但旋轉(zhuǎn)壓實法通過豎向荷載提供豎向壓縮的同時利用一定的旋轉(zhuǎn)角實現(xiàn)側(cè)向旋轉(zhuǎn)調(diào)整(如圖2)[19]，顆粒之間能夠產(chǎn)生更好的錯位和相對運動進而重新排列直至達到新的穩(wěn)定堆積狀態(tài)，能更好地模擬有砟道床現(xiàn)場搗固作業(yè)情況，然而目前對于散粒體材料尚無具體的旋轉(zhuǎn)壓實參數(shù)可以參照，需通過一系列的室內(nèi)外壓實試驗來探究最優(yōu)參數(shù)組合。旋轉(zhuǎn)壓實的非材料性參數(shù)有：旋轉(zhuǎn)角、豎直壓力、旋轉(zhuǎn)速率和壓實次數(shù)，這些參數(shù)均會對壓實過程以及實驗結(jié)果產(chǎn)生一定的影響[20]。本文通過設(shè)計不同的道砟級配類型并對原始級配進行縮放以適應(yīng)常規(guī)擊實和旋轉(zhuǎn)壓實試樣尺寸要求，分別對縮放道砟與其他3種常見堆積類型的級配碎石堆積試樣進行擊實和旋轉(zhuǎn)壓實，對比這2種不同壓實方式壓實效果的差異，并尋找旋轉(zhuǎn)壓實最優(yōu)參數(shù)組合。同時研究旋轉(zhuǎn)壓實過程中試樣級配的變化，探索旋轉(zhuǎn)壓實對于縮放道砟的適用性和操作規(guī)程。研究結(jié)論可為有砟道床道砟現(xiàn)場搗固密實作業(yè)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

圖1 2種典型的搗固運動模式

圖2 旋轉(zhuǎn)壓實原理示意圖

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗所用的碎石材料為I級破碎花崗巖，最大粒徑為35 mm，取自長沙縣礦區(qū)，質(zhì)地堅硬、致密且棱角分明，其相關(guān)物理參數(shù)符合《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》(2017)[21]對道砟性質(zhì)的規(guī)定。由于鐵路中常用的特級道砟顆粒粒徑范圍為22.4~63 mm，其最大粒徑的5倍超出了室內(nèi)常規(guī)壓實設(shè)備模具的尺寸，因此本文采用WANG等[22]提出的縮放原理，將22.4～63 mm粒徑范圍的設(shè)計道砟級配縮放為粒徑范圍為0.075~31.5 mm的級配碎石級配(“縮放道砟”)，具體的縮放公式如下：

式中：b為道砟的實際顆粒粒徑；m為道砟縮放的顆粒粒徑。

按照式(1)計算，將原始道砟和縮放道砟的粒徑范圍代入：

最終計算得到A的值為1.29。將原設(shè)計道砟級配曲線與縮放道砟級配曲線一同繪制在圖3中，可以明顯看出2條級配曲線具有很高的相似度。

為進一步分析級配類型對壓實度的影響，除縮放道砟級配之外，還設(shè)計了其他3種不同的級配類型進行對比試驗，即懸浮密實型、骨架密實型和骨架空隙型，其級配曲線如圖4所示。

上述4種不同的級配類型其顆粒堆積結(jié)構(gòu)示意圖見圖5，可以明顯地看出：懸浮密實型堆積結(jié)構(gòu)的細顆粒填充于粗顆粒之間，由于細顆粒過多，粗顆粒不能緊挨，因此沒有形成力鏈傳遞骨架；而骨架密實型堆積結(jié)構(gòu)中粗顆?；ハ嘟佑|和咬合嵌擠形成傳力骨架，且空隙由細顆粒完全填充；對于骨架空隙填充結(jié)構(gòu)，粗顆粒之間形成了傳力骨架，但由于細顆粒較少，粗顆粒組分包裹的空隙不能很好地被細顆粒組分填充。很顯然，本文所采用的道砟級配和縮放后的碎石級配介于骨架空隙與骨架密實填料結(jié)構(gòu)之間。

圖4 4種不同級配類型對比圖

(a) 懸浮密實；(b) 骨架密實；(c) 骨架空隙；(d) 縮放道砟

1.2 試驗方案

1.2.1 篩分試驗

為分析旋轉(zhuǎn)壓實過程中顆粒的破碎程度，在進行旋轉(zhuǎn)壓實成型試樣后立即脫模，并將脫模后的試樣進行烘干稱重，對烘干后的試樣進行二次篩分。

1.2.2 重型擊實試驗

不同級配類型的試樣首先采用中國鐵路工程土工試驗規(guī)程(2010)[23]中的重型擊實標準進行擊實試驗。每次擊實稱取3.0 kg混合料，試模直徑為100 mm，高度為80 mm；試樣分3層進行擊實，每層重錘下落次數(shù)為94次。每組擊實試驗包含2個平行試驗，其擊實后的干密度和含水率值取2個平行試驗數(shù)據(jù)的平均值

1.2.3 旋轉(zhuǎn)壓實試驗

試樣的旋轉(zhuǎn)壓實成型采用GYXY-150B型旋轉(zhuǎn)壓實儀，可實時獲取壓實過程中試樣的高度。采用旋轉(zhuǎn)壓實方法確定4種不同級配類型試樣的壓實參數(shù)(即最佳含水率和最大干密度)以及不同旋轉(zhuǎn)次數(shù)下試樣干密度?含水率關(guān)系曲線。

SHRP推薦采用豎向壓力600 kPa，旋轉(zhuǎn)角1.16°和旋轉(zhuǎn)速度30 r/min設(shè)計瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層，此時室內(nèi)設(shè)計材料與實際情況接近[24]。本文在旋轉(zhuǎn)壓實曲線特征和已有研究結(jié)論的基礎(chǔ)之上，對不同試樣均采用以下壓實參數(shù)：壓實次數(shù)200次、旋轉(zhuǎn)角1.16°和旋轉(zhuǎn)速度30 r/min；旋轉(zhuǎn)壓實試樣直徑為150 mm，每次試驗前稱取碎石混合料4.0 kg，試驗設(shè)計含水率與擊實試驗的設(shè)計含水率一致。旋轉(zhuǎn)壓實后試樣的側(cè)視圖與俯視圖示例如圖6所示。

(a) 試樣的側(cè)視圖；(b) 試樣的俯視圖

與擊實試驗相同，對旋轉(zhuǎn)壓實試驗數(shù)據(jù)進行處理，繪制重型擊實與800 kPa下旋轉(zhuǎn)壓實所對應(yīng)的含水率?干密度曲線圖，獲得重型擊實與800 kPa旋轉(zhuǎn)壓實條件下4種不同級配類型材料的最優(yōu)含水率和最大干密度，結(jié)果如圖7所示；4種不同級配類型在擊實和旋轉(zhuǎn)壓實下的最佳含水率及最優(yōu)干密度的對比結(jié)果如表1所示。

通過對比4種不同級配類型在擊實和旋轉(zhuǎn)壓實的干密度?含水率曲線圖，可以明顯看出4種不同級配類型的碎石試樣擊實后的最大干密度值從高到低依次為：骨架密實型級配、道砟縮放級配、懸浮密實型級配和骨架空隙型級配。這與陳堅等[25]得到的“骨架密實型結(jié)構(gòu)是級配碎石的最佳結(jié)構(gòu)狀態(tài)”這一結(jié)論是相符的，也間接驗證了本室內(nèi)擊實試驗的操作和數(shù)據(jù)分析結(jié)果的合理性；對于4種不同級配類型的級配碎石，其在旋轉(zhuǎn)壓實下的最大干密度均大于重錘擊實下的最大干密度，表明旋轉(zhuǎn)壓實相對于擊實能實現(xiàn)更大的壓實度。

圖7 重錘擊實與800 kPa下旋轉(zhuǎn)壓實曲線

表1 4種不同級配類型在擊實和旋轉(zhuǎn)壓實下的最佳含水率和最大干密度對比結(jié)果

通過表1可知，擊實試驗得到的最佳含水率值普遍比旋轉(zhuǎn)壓實試驗得到的最佳含水率小0.2%~ 0.3%，這是由于在擊實試驗中試模密封性欠佳，導(dǎo)致?lián)魧嵾^程中水分流失較為明顯，此外重錘下落也會引發(fā)粗顆粒破碎現(xiàn)象；相比之下，旋轉(zhuǎn)壓實試驗中水分流失相對較少，壓實過程中粗顆粒的破碎情況也相對較少，水分大部分被集料所保留，使得壓實后最大干密度所對應(yīng)的最佳含水率值偏大，顆粒之間的接觸更加緊密，提高了試樣的干密度。

1.2.4 正交試驗

為探究縮放級配道砟的最優(yōu)參數(shù)組合(即含水率、壓強、級配的最優(yōu)組合)，設(shè)計了3種縮放道砟級配(如圖3)、6種含水率和3種壓強，本文采用正交試驗的方法來探究縮放級配道砟的最優(yōu)參數(shù)組合。旋轉(zhuǎn)壓實儀參數(shù)選取與上述試驗一致。

由于本次試驗設(shè)計的因素數(shù)有3個，因素水平數(shù)分別有3，6和3個，因此需要設(shè)計混合水平正交表來進行方案設(shè)計。根據(jù)混合水平正交表設(shè)計的原則，設(shè)計了如表2所示的試驗方案。

圖8 3種不同的縮放道砟級配曲線設(shè)計方案

表2 正交試驗設(shè)計方案

注：A為含水率，有6個不同的水平，1為1.2%，2為1.5%，3為2.0%，4為2.5%，5為3.0%，6為3.0%；B為壓強，有3個不同的水平，1為400 kPa，2為600 kPa，3為800 kPa；C為級配，有3個不同的水平，級配曲線如圖8所示。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 最優(yōu)含水率下試樣實時高度與干密度變化

通過旋轉(zhuǎn)壓實儀顯示屏幕可以實時觀察到試樣高度隨旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)的變化曲線圖。為更加直觀和準確地表征試樣高度和干密度的實時變化，分別繪制了4種不同級配類型試樣在其最優(yōu)含水率下的實時高度和實時干密度變化圖(圖9)。

圖9 800 kPa旋轉(zhuǎn)壓力和最優(yōu)含水率下不同級配類型試樣干密度/高度隨旋轉(zhuǎn)次數(shù)的變化趨勢

由圖9可以看出：1) 當壓強為800 kPa時，隨著旋轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，4種不同級配類型試樣在其對應(yīng)的最優(yōu)含水率下，試樣高度不斷下降，而試樣高度下降速率逐漸降低；2) 隨著壓實次數(shù)的增加，試樣的實時干密度值不斷增加，試樣呈現(xiàn)出逐漸被壓密的狀態(tài)；3) 在不同旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)下，試樣干密度最大值所對應(yīng)的級配有所變化，而骨架密實型級配試樣的最終干密度值(即旋轉(zhuǎn)次數(shù)為200次時)最大。

2.2 旋轉(zhuǎn)壓實階段劃分

ZHANG等[26]將瀝青混合料的旋轉(zhuǎn)壓實過程分為了3個階段和3個節(jié)點，3個節(jié)點分別對應(yīng)初始旋轉(zhuǎn)次數(shù)、設(shè)計旋轉(zhuǎn)次數(shù)和最終旋轉(zhuǎn)次數(shù)；第2階段介于初始旋轉(zhuǎn)次數(shù)與設(shè)計旋轉(zhuǎn)次數(shù)之間，第3階段介于設(shè)計旋轉(zhuǎn)次數(shù)與最終旋轉(zhuǎn)次數(shù)之間。

對于本文中不同級配類型試樣的旋轉(zhuǎn)壓實過程，根據(jù)其高度變化曲線也可清晰地觀察到上述3個不同階段。

圖10分別給出了縮放道砟級配試樣在壓強為700，800，900和1 000 kPa下旋轉(zhuǎn)壓實高度變化率曲線圖，可見4種不同壓強水平下的旋轉(zhuǎn)壓實高度變化率曲線都呈現(xiàn)出較為明顯的階段性。將高度變化率大于1 mm/次視為第1階段，介于0～0.1 mm/次之間為第2階段，穩(wěn)定在0.1 mm/次為第3階段。與此類似，進而根據(jù)懸浮密實型、骨架密實型、骨架空隙型級配試樣在不同壓強下的旋實轉(zhuǎn)壓高度變化率劃分出不同的壓實階段，結(jié)果匯總于表3。

圖10 不同旋轉(zhuǎn)壓力下縮放道砟級配試樣高度變化率隨旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)的變化趨勢

表3 4種不同類型級配試樣在不同壓強下旋轉(zhuǎn)壓實階段劃分結(jié)果

通過對比不同壓強下4種不同級配類型試樣壓實階段劃分結(jié)果，可以看出壓強對于試樣旋轉(zhuǎn)過程的分階段節(jié)點影響較小，且隨著壓強的增大，第2階段分界點所對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)越來越小，表明壓強越大，壓實速度越快。因此，不考慮壓強對于階段分界點的影響，取不同壓強的分階段點旋轉(zhuǎn)次數(shù)的平均值，匯總到表4。

表4 不同級配類型試樣旋轉(zhuǎn)壓實不同階段分界點及干密度結(jié)果

在不考慮壓強的情況下，不同級配類型對于碎石混合料旋轉(zhuǎn)過程中分階段節(jié)點的影響較大，其中第1階段分界點隨著粗集料的增多而減小，第2階段分界點隨著粗集料的增多而增多。因此，隨著粗集料的增多，整個壓實曲線的第2階段延長，主要原因是第1階段為顆粒自密實階段，粗顆粒的增加造成了空隙率的增大，使試樣越容易達到自密實；而第2階段隨著粗顆粒的增多，顆粒通過不斷的位置調(diào)整而實現(xiàn)緊密接觸和穩(wěn)定的咬合嵌擠狀態(tài)的難度也逐漸加大，此外顆粒的破碎率也可能增大，使得粗顆粒破碎為細顆粒，為進一步的壓實提供了新的細顆粒材料。當旋轉(zhuǎn)次數(shù)達到第2階段時，試樣的干密度已經(jīng)與重錘擊實的干密度相比偏大，已經(jīng)達到了相對較高的干密度，而相對于200次旋轉(zhuǎn)壓實對應(yīng)的干密度，已經(jīng)達到了93%左右的壓實度。

2.3 旋轉(zhuǎn)壓實性能對比

通過對試樣的旋轉(zhuǎn)壓實過程進行階段劃分，第1階段為自密實階段(sta?ini)，該階段主要是顆粒在自身重力的作用下不斷壓密，這里不做研究；第2階段為旋轉(zhuǎn)壓密階段(ini?des)，這一階段主要是由于旋轉(zhuǎn)壓實提供的豎向壓力和側(cè)向剪力的作用，使得試樣進一步壓實，是旋轉(zhuǎn)壓實的核心階段；第3階段為穩(wěn)定壓密階段(des?sto)，該階段已經(jīng)是高度壓密后的穩(wěn)定階段，對壓實度的影響很小，因此本文也不做具體研究。

針對旋轉(zhuǎn)壓密階段(ini?des)，這里采用文獻[26]中針對瀝青混合料提出的1指標，1是指旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)與壓實度對數(shù)圖的曲線斜率，具體定義如下：

式中：1為旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)與壓實度對數(shù)圖的曲線斜率；ini為第1階段分界點；des為第2階段分界點；%mm@ini為第1階段分界點所對應(yīng)的壓實度；%mm@des--為第2階段分界點所對應(yīng)的壓實度，其中壓實度所指的是相對于200次旋轉(zhuǎn)壓實所對應(yīng)的壓實度(即旋轉(zhuǎn)200次對應(yīng)的壓實度為100%)。本文重點研究的是縮放道砟級配試樣的壓實效果。

700，800，900和1 000 kPa下縮放道砟級配試樣1的值計算如式(4)~(7)所示。

通過計算可以得出，在壓強為800 kPa時，1值最大，此時試樣的旋轉(zhuǎn)壓實性能最好。若選取不考慮壓強水平差異時縮放道砟級配試樣的階段分界點，計算結(jié)果如下：

該結(jié)果仍表明，當壓強為800 kPa時，1值最大，此時縮放道砟級配試樣的旋轉(zhuǎn)壓實性能最好。

從圖12可以得出：1) 4種不同的級配類型試樣(即懸浮密實型級配、骨架密實型級配、骨架空隙型級配和縮放道砟級配)都表現(xiàn)出800 kPa下的壓實性能更好；2) 骨架空隙型級配試樣的壓實性能最差；3) 骨架密實型級配試樣在2種不同的壓強水平下都表現(xiàn)出很好的壓實效果，這與之前擊實試驗所得到的結(jié)論是一致的。

圖12 不同旋轉(zhuǎn)壓實壓強下K1值計算結(jié)果對比

圖13 懸浮密實型與骨架密實型級配試樣K1值計算結(jié)果對比

通過1值的統(tǒng)計可以看出：1) 從壓實度表征的性能角度來看，不同的級配類型對應(yīng)著不同的最優(yōu)壓強水平，懸浮密實型級配試樣在500~800 kPa范圍內(nèi)的最優(yōu)壓強為500 kPa；骨架密實型級配試樣在500~800 kPa范圍內(nèi)的最優(yōu)壓強為600 kPa；骨架空隙型級配試樣在700~1 000 kPa范圍內(nèi)的最優(yōu)壓強為800 kPa；縮放道砟級配試樣在700~1 000 kPa范圍內(nèi)的最優(yōu)壓強為800 kPa；2) 從壓實度變化率具體數(shù)值來看，骨架密實型級配試樣在600 kPa壓強下計算出的1值最大，這與前面所得結(jié)論保持一致。

圖14 骨架空隙型與道砟縮放級配試樣K1值計算結(jié)果對比

2.4 最優(yōu)參數(shù)組合確定

正交試驗中評價極差是其中一項重要的評價指標，值越大，證明對應(yīng)的因素越重要；若空列對應(yīng)的值較大，則可能漏掉了某些重要因素或者是設(shè)計的因素之間存在著某種互相影響關(guān)系，可進一步驗證試驗設(shè)計的合理性。具體定義如下。

(極差)：在任一列上，

這里，K為表示任一列上水平號為時，所對應(yīng)的試驗結(jié)果之和；k為k=K/，其中為任一列上各水平出現(xiàn)的次數(shù)。

通過一系列旋轉(zhuǎn)壓實試驗干密度這一壓實指標獲得了如表5所示的正交試驗結(jié)果表。

由表5可以看出：1) 干密度最大的參數(shù)組合為A2B3C3，即含水率為1.5%的設(shè)計縮放道砟級配3在壓強為800 kPa下進行旋轉(zhuǎn)壓實。2) 從極差R的數(shù)值可以看出，級配對于壓實度的影響最大，壓強次之、含水率的影響最小。

計算最優(yōu)組合所對應(yīng)的壓實高度變化率以及壓實度，并繪制其高度變化率以及壓實度變化曲線圖(圖15)，尋找分界點確定出3個壓實階段的范圍。

表5 正交試驗結(jié)果表

從高度變化率曲線圖中可以得出：初始旋轉(zhuǎn)次數(shù)為10次、設(shè)計旋轉(zhuǎn)次數(shù)為61次、最終旋轉(zhuǎn)次數(shù)為200次；即自密實階段為0～10次、旋轉(zhuǎn)壓密階段為10～61次、穩(wěn)定階段為61～200次。

圖15 最優(yōu)旋轉(zhuǎn)壓實參數(shù)組合下試樣高度變化率及壓實度隨旋轉(zhuǎn)次數(shù)變化趨勢

根據(jù)最優(yōu)組合壓實度曲線圖，計算壓實性能參數(shù)1：

這一值相對較大，這也證明了正交試驗設(shè)計的合理性，所選出的最優(yōu)組合(即含水率為1.5%的設(shè)計縮放道砟級配3在壓強為800 kPa下進行旋轉(zhuǎn)壓實)是較優(yōu)的。

因此，對于縮放道砟級配試樣旋轉(zhuǎn)壓實的最優(yōu)組合是含水率為1.5%的級配3在壓強為800 kPa下進行旋轉(zhuǎn)壓實，其設(shè)計旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)應(yīng)為61次。

2.5 顆粒破碎規(guī)律

2.5.1 旋轉(zhuǎn)壓實前后試樣級配變化情況

將旋轉(zhuǎn)壓實后的試樣烘干后進行二次篩分，得到壓實前后試樣的級配變化曲線。圖16為800 kPa時懸浮密實、骨架密實、骨架空隙和縮放道砟級配試樣在其對應(yīng)的最優(yōu)含水率下壓實前后級配曲線對比圖，可以明顯地看出旋轉(zhuǎn)壓實前后試樣級配的變化。

從圖16可以看出：1) 旋轉(zhuǎn)壓實成型后4種不同類型級配試樣在各粒徑篩孔的通過率大多呈增大趨勢，部分粒徑篩孔的通過率減小，這或許是由于細顆粒緊密黏結(jié)在一起使得振篩機的作用不足以使細顆粒完全分離；2) 骨架空隙、縮放道砟、骨架密實和懸浮密實這4種不同類型級配試樣的粗顆粒含量依次下降，級配變化的程度也依次減小，說明粗顆粒相比細顆粒更容易產(chǎn)生破碎從而導(dǎo)致級配變化。

圖16 4種不同類型級配試樣旋轉(zhuǎn)壓實前后的級配變化

2.5.2 旋轉(zhuǎn)壓實顆粒破碎率分析

為定量分析旋轉(zhuǎn)壓實前后試樣的顆粒破碎率，采用被廣泛用于衡量顆粒破碎率的B值，其概念是由Bobby[27]定義，具體的公式如下所示：

式中：B為相對破碎指標；B為壓實前的破碎概率，即壓實前由過篩率為100%所在的水平線、0.075 mm粒徑所在的豎直線以及壓實前的級配曲線圍成的曲線圖的面積；B為壓實后的破碎概率，即壓實后由過篩率為100%所在的水平線、0.075 mm粒徑所在的豎直線以及壓實后的級配曲線圍成的曲線圖的面積(圖17)。

圖18是根據(jù)計算出的破碎率B值繪制的對比圖，可以看出：1) 壓強的增大將會導(dǎo)致顆粒破碎率的增加；2) 骨架空隙型級配試樣的破碎率最大，道砟縮放、骨架密實型、懸浮密實型級配試樣的顆粒破碎率依次降低，說明粗顆粒含量越多，顆粒破碎率越大。

圖17 級配曲線圍成的曲線圖面積

圖18 4種不同類型級配試樣在不同旋轉(zhuǎn)壓實壓強下的Br值計算結(jié)果

3 結(jié)論

1) 對旋轉(zhuǎn)壓實過程進行劃分，發(fā)現(xiàn)壓強對于4種不同類型級配試樣旋轉(zhuǎn)壓實過程的分階段節(jié)點影響較小，而級配類型對試樣旋轉(zhuǎn)壓實過程中的分階段節(jié)點的影響較大；其中第1階段分界點隨著粗集料的增多而減小，第2階段分界點隨著粗集料的增多而增大，粗顆粒含量越多旋轉(zhuǎn)壓密階段越長。

2) 通過正交試驗，對比干密度及1，得出縮放道砟級配的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)壓實參數(shù)為：含水率為1.5%，級配曲線為類型3，壓強為800 kPa和旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)為61次。

3) 對比不同級配、不同壓強下的顆粒破碎情況，證明旋轉(zhuǎn)壓實壓強的增大和粗顆粒含量的增多均會導(dǎo)致試樣顆粒破碎率增大。

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Laboratory investigation of gyratory compaction characteristics and optimal parameters for heavy haul railroad ballasts

WANG Meng1, XIAO Yuanjie1, 2, LU Xiaoyong4, CHANG Zhenxing1, CHEN Xiaobin1, 2, GU Mu3, YE Xinyu1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. MOE Key Laboratory of Engineering Structures of Heavy Haul Railway, Changsha 410075, China;3. Railway Engineering Research Institute, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China;4. Science & Technology Research Institute, Daqin Railway Co., Ltd., Taiyuan 030013, China)

The quality of compaction of large-sized ballast particles with uniform gradation plays a vital role in trackbed performance of heavy-haul railroads; however, there are currently no unanimously-accepted techniques or quality control criteria available for ensuring adequate compaction of railroad ballasts in either laboratory experiments or field practices. The typical ballast gradations commonly used in heavy-haul railroads in China were adopted and scaled with different packing structures introduced for comparison. All specimens with varying levels of gradation, moisture content, gyratory pressure, and number of gyrations were prepared and subjected to impact and gyratory compaction tests, respectively. The results showed that the compaction process can be divided into initial compaction stage, transition stage, and stabilization stage, wherein the gradation has a relatively significant influence on the transition points of different compaction stages. The higher the content of coarse particles, the longer the transition compaction stage. The optimal gyratory compaction parameters for scaled ballast gradation are: water content is 1.5%, pressure is 800kPa and the number of gyrations is 61. The increase in both gyratory pressure level and the relative content of coarse particles leads to increasing particle breakage. The laboratory testing results could provide technical insights and guidance to field tamping operations of ballasts in heavy-haul railroads.

laboratory gyratory compaction; scaled ballasts; compaction characteristics

TU239.4

A

1672 ? 7029(2020)10 ? 2503 ? 13

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200526

2020?06?11

中國鐵道科學(xué)研究院科技研究開發(fā)計劃重大課題資助項目(2019YJ026)；國家重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFB1201204)；國家自然科學(xué)基金資助項目(U1734208，U1934209，51878673，51808577)；湖南省自然科學(xué)基金資助項目(2018JJ3658)；大秦鐵路股份有限公司重載技術(shù)升級專項計劃資助項目(A2019G03)

肖源杰(1984?)，男，湖南衡陽人，副教授，博士，從事鐵路路基工程研究；E?mail：yjxiao@csu.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)