不同臟污質(zhì)對(duì)格柵加筋道砟性能的影響

陳 靜 ，高 睿 ，劉洋澤鵬 ，張榮隆 ，石知政

（武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 湖北 武漢 430072）

在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，雜質(zhì)顆粒會(huì)逐漸侵入道砟骨架空隙，造成道床臟污.道砟臟污不僅會(huì)產(chǎn)生高昂的維護(hù)成本，還會(huì)增加鐵路運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn).研究表明，臟污會(huì)降低道床穩(wěn)定性、承載力和排水能力，并引發(fā)道床板結(jié)和翻漿冒泥等病害[1-2].臟污質(zhì)主要包括：1）基床表層及底砟層滲入的細(xì)小土石顆粒；2）上部侵入的煤渣、礦渣、砂石顆粒以及枕木風(fēng)化后的碎屑；3）發(fā)生磨損與破碎的道砟顆粒[3].目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于臟污道砟的力學(xué)行為特性已有大量研究.Koohmishi等[4]研究了臟污道砟顆粒級(jí)配及尺寸對(duì)其導(dǎo)水性能的影響，結(jié)果顯示：臟污道砟的排水性能受道砟級(jí)配、污染物級(jí)配及污染程度的影響；受細(xì)砂污染道砟的滲透系數(shù)比受粗砂污染道砟的滲透系數(shù)低10倍左右.Kashiani等[5]針對(duì)磨損的臟污道砟，開展了一系列大型三軸壓縮試驗(yàn)，研究了顆粒含水率對(duì)其力學(xué)特性的影響.Indraratna等[6-7]利用室內(nèi)三軸試驗(yàn)，并結(jié)合相應(yīng)離散元（DEM）數(shù)值模型，通過(guò)分析顆粒運(yùn)動(dòng)及顆粒間接觸特征，提出了污染物對(duì)道砟的“潤(rùn)滑劑”效應(yīng)，認(rèn)為臟污質(zhì)填充于道砟空隙，弱化了顆粒間的咬合，從而降低了集料的抗剪強(qiáng)度.

為提升有砟軌道道床性能，在鐵道工程領(lǐng)域常常采用格柵、土工織物等材料.研究表明，格柵可顯著提高道砟集料的抗剪強(qiáng)度，并有效減小道床沉降[8–10].土工格柵主要通過(guò)約束道砟集料的側(cè)向變形，增加道砟顆粒間的咬合，從而實(shí)現(xiàn)其加固機(jī)理[11-12].然而，由于臟污質(zhì)填充于集料骨架空隙間（如煤渣、土石顆粒等），或附著在道砟顆粒表面（如濕潤(rùn)的黏土質(zhì)等），道砟顆粒間以及道砟顆粒與格柵縱橫肋之間的嵌固咬合作用將會(huì)發(fā)生改變.

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)臟污道砟或格柵加筋道砟的力學(xué)性能已進(jìn)行了充分研究，但針對(duì)不同臟污質(zhì)對(duì)格柵加固性能影響進(jìn)行比較研究的文獻(xiàn)較少.Indraratna等[13-14]分析了不同臟污程度下格柵加筋道砟的強(qiáng)度及變形特性，但臟污質(zhì)僅局限于煤渣顆粒，不同臟污情況下格柵加筋道砟的力學(xué)性能演化規(guī)律仍不明晰.根據(jù)Huang等[15-16]關(guān)于不同污染物對(duì)道砟的強(qiáng)度及變形特性的研究，污染物的種類及含量對(duì)道砟力學(xué)行為具有明顯影響.因我國(guó)現(xiàn)有的有砟鐵路列車運(yùn)載性質(zhì)多樣、所處地理環(huán)境復(fù)雜等原因，道床臟污來(lái)源不盡相同.如處于華北地區(qū)的大秦線、蒙華鐵路等多條貨運(yùn)線路主要受到上部的煤渣污染；對(duì)于南方山區(qū)、丘陵地帶的鐵路軌道，由于地基層不充分排水，產(chǎn)生的黏土污染最為嚴(yán)重；煤渣及黏土的材料物理性質(zhì)、顆粒級(jí)配及強(qiáng)度特性等具有明顯差異.因此，本文采用煤渣、黏土作為臟污質(zhì)，開展了不同臟污程度下格柵加筋道砟集料的大型直剪試驗(yàn)，分析不同法向壓力條件下各試樣強(qiáng)度及形變發(fā)展規(guī)律，探討了其抗剪強(qiáng)度、峰值摩擦角、剪脹角等力學(xué)參數(shù)的變化特性，分析比較了不同臟污質(zhì)對(duì)格柵加筋道砟性能影響的差異，以期為實(shí)際鐵路運(yùn)維過(guò)程中格柵加固的方法設(shè)計(jì)及效果評(píng)判提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)儀器

由于道砟顆粒尺寸較大，傳統(tǒng)直剪設(shè)備無(wú)法滿足試驗(yàn)要求，因此本文自主設(shè)計(jì)一套大型道砟集料直剪設(shè)備，如圖1所示.該設(shè)備由4部分構(gòu)成：1）反力系統(tǒng)，包括反力架（構(gòu)件）及反力底座（構(gòu)件）；2）加載系統(tǒng)，包括水平千斤頂及豎向千斤頂，該設(shè)備使用的千斤頂可提供15 t推力，滿足該直剪試驗(yàn)所需的要求，在剪切過(guò)程中豎向千斤頂施加的法向壓力恒定，而水平千斤頂由數(shù)控油壓設(shè)備控制，實(shí)現(xiàn)勻速水平推力；3）裝樣系統(tǒng)，包括上、下剪切盒及蓋板；4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括位移傳感器、靜態(tài)應(yīng)變儀.

圖1 大型直剪設(shè)備Fig.1 Large-scale direct shear test equipment

需要特別指出的是，已有的大型直剪設(shè)備多采用推動(dòng)上剪切盒方式，而研發(fā)的設(shè)備采用水平千斤頂（構(gòu)件）推動(dòng)下剪切盒（構(gòu)件）方式施加水平推力，該方式可避免在剪切過(guò)程中由豎向千斤頂（構(gòu)件）施加的法向壓力產(chǎn)生偏心.除此之外，為保證剪切過(guò)程中剪切面積恒定，下剪切盒剪切方向尺寸較上剪切盒大 100 mm.

1.2 試樣制備

該試驗(yàn)使用的道砟級(jí)配滿足我國(guó)《鐵路碎石道砟》（TB/T 2140—2008）[17]標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)參數(shù)見圖2.

圖2 道砟級(jí)配Fig.2 Size distribution of ballast particles

從圖2 可知：道砟最大粒徑Dmax= 64 mm，有效粒徑D10= 24 mm，中值粒徑D30= 34 mm，控制粒徑D60= 42 mm，平均粒徑D50= 39 mm，曲率系數(shù)Cc=1.75 mm，不均勻系數(shù)Cu= 1.15 mm.分別采用煤渣、黏土作為污染雜質(zhì)，其相關(guān)力學(xué)指標(biāo)見表1，所用格柵如圖3所示.根據(jù)Mcdowell等[18]的研究，最優(yōu)格柵孔徑與道砟尺寸之比為1.4，即格柵孔徑為1.4倍道砟尺寸可提供最優(yōu)約束.此試驗(yàn)所用道砟D50=39 mm，故孔徑尺寸選為 55 mm，格柵相關(guān)參數(shù)見表2.根據(jù)Indraratna等[19]對(duì)道砟臟污程度的定義，采用 VCI （void contamination index,VVCI）作為該試驗(yàn)臟污質(zhì)污染指標(biāo)，見式（1）.

表2 格柵參數(shù)Tab.2 Physical and technical properties of geogrid

圖3 試驗(yàn)用土工格柵Fig.3 Geogrid used in the experiments

表1 道砟及臟污質(zhì)相關(guān)力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Mechanical indexes of ballast and fouling substances

式中：ef、Gs,f、Mf和eb、Gs,b、Mb分別為臟污質(zhì)和道砟集料的孔隙比、比重、干重.

Indraratna等[14]對(duì)煤渣臟污下格柵加筋道砟力學(xué)特性的研究顯示，當(dāng)VCI大于40%時(shí)，臟污集料的歸一化峰值剪應(yīng)力相較于干凈集料降低50%以上.在實(shí)際服役中，當(dāng)?shù)理募系目辜魪?qiáng)度由于外部污染或顆粒劣化而明顯降低時(shí)，需采用重新夯實(shí)或材料換新等措施，故本文僅對(duì)VCI小于40%的臟污情況進(jìn)行了研究.該試驗(yàn)分別制備煤渣、黏土臟污條件下VCI為0、20%、40%的直剪試樣各4組，為反映臟污質(zhì)存在條件下格柵加固性能的變化，本研究設(shè)置了相同條件下不含格柵的各組試樣進(jìn)行對(duì)比，試樣具體設(shè)置情況見表3.

表3 試樣設(shè)置情況Tab.3 Details of experimental specimens

1.3 試驗(yàn)步驟

為減小試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)前開展了預(yù)試驗(yàn)并以此確定直剪試樣中道砟集料的堆積密度（壓實(shí)后為1 432 kg/m3），從而計(jì)算各組試驗(yàn)中道砟的合理用量.為減小剪切過(guò)程中下剪切盒與底板以及上下剪切盒之間的摩擦力，在底板上布置10根直徑為10 mm的圓棒（如圖1），并在上下盒剪切面及內(nèi)部均涂抹潤(rùn)滑油.制樣時(shí)，每組試樣稱取等量道砟集料275 kg，與式（1）計(jì)算得到相應(yīng)質(zhì)量的臟污雜質(zhì)充分拌合.裝樣過(guò)程中，每150 mm高度采用低錘重壓的方式對(duì)試樣進(jìn)行壓實(shí).格柵布置在剪切面，即距下剪切盒底面高250 mm處.

每組試樣加載前，對(duì)試樣施加100 kPa的法向壓力進(jìn)行過(guò)載壓實(shí)，該壓力持續(xù)60 s，待試樣穩(wěn)定后緩慢卸載至0，隨后緩慢施加法向壓力至設(shè)定值，即15、35、55、75 kPa.剪切過(guò)程中，水平千斤頂以3 mm/min的速度緩慢施加水平推力；法向壓力通過(guò)伺服控制系統(tǒng)維持壓力恒定.通過(guò)預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在剪切應(yīng)變達(dá)到10%之前，剪切力已逐漸趨于穩(wěn)定，剪切面出現(xiàn)明顯破壞.因此本試驗(yàn)在加載過(guò)程中待剪切應(yīng)變達(dá)到10%，即剪切位移達(dá)到60 mm時(shí)停止.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 強(qiáng)度特性分析

黏土及煤渣分別作為臟污質(zhì)時(shí)，在不同污染程度下道砟試樣的剪切應(yīng)力τs隨剪切位移Δs發(fā)展情況如圖4.從圖可以看出：隨著法向壓力σn的提高，各試樣的抗剪強(qiáng)度均逐漸提高；相同試驗(yàn)環(huán)境下（即污染物種類、VCI值及法向壓力均維持一致），不論臟污質(zhì)材料及臟污質(zhì)含量，受格柵加固道砟集料的抗剪強(qiáng)度明顯高于未受格柵加固道砟集料的抗剪強(qiáng)度，格柵的存在可顯著提高道砟集料的抗剪強(qiáng)度；在道床受到外界雜質(zhì)污染時(shí)，布置格柵可作為減輕道砟抗剪強(qiáng)度降低的手段，這是由于格柵的縱橫肋限制了道砟顆粒的平移與旋轉(zhuǎn)，從而加強(qiáng)了道砟顆粒之間的咬合作用[11-12].

圖4 不同臟污情況下受格柵加固與未受格柵加固道砟剪切應(yīng)力τs與剪切位移 Δs的關(guān)系Fig.4 Relationships between τs and Δs for geogrid-reinforced and unreinforced ballast under various fouling levels

為探究不同臟污質(zhì)對(duì)格柵加固效果的影響，圖5展示了不同污染程度下，格柵加固道砟集料分別受黏土和煤渣污染時(shí)，峰值抗剪強(qiáng)度τsmax與σn關(guān)系.從圖5可以看出：干凈的受格柵加固道砟集料表現(xiàn)出最大峰值抗剪強(qiáng)度；同一法向壓力下，隨著VCI從20%增加至40%，格柵加固道砟的峰值抗剪強(qiáng)度逐漸降低；受黏土污染或受煤渣污染的格柵加固道砟在不同法向壓力條件下具有不同的響應(yīng)，在σn=15 kPa時(shí)，VCI從20%增加至40%，受黏土污染的試樣峰值強(qiáng)度降低20.3%，隨著σn增加至75 kPa時(shí)，該試樣峰值強(qiáng)度降低9.1%；對(duì)于受煤渣污染的試樣，峰值強(qiáng)度降低比受σn的影響較小，始終維持在7.3%左右.

圖5 峰值強(qiáng)度 τsmax 與法向壓力 σn 關(guān)系Fig.5 Relationships between peak shearing strength τsmax and normal stress σn

值得注意的是，同一污染程度下，受煤渣污染的格柵加固道砟展現(xiàn)出更低的抗剪強(qiáng)度.這說(shuō)明相較于黏土臟污，煤渣會(huì)對(duì)格柵加固道砟的剪切性能產(chǎn)生更不利的影響，這是由黏土和煤渣不同的顆粒粒徑所導(dǎo)致，如圖6所示.由圖可知：當(dāng)污染程度較低時(shí)，由于黏土的粒徑較小，其附著在道砟顆粒表面，道砟顆粒仍充分接觸，而煤渣顆粒則填充于部分道砟骨架中間，阻礙了道砟顆粒的接觸，導(dǎo)致道砟顆粒間力鏈的斷裂；當(dāng)污染程度較高時(shí)，黏土完全填充道砟骨架孔隙，或格柵與道砟顆粒之間，限制了道砟的運(yùn)動(dòng)；相反而言，由于煤渣顆粒粒徑較大，其之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致道砟顆粒更易移動(dòng)與旋轉(zhuǎn).當(dāng)VCI值達(dá)到40%時(shí)，受黏土污染和受煤渣污染的格柵加固道砟峰值剪切強(qiáng)度最低，且兩者抗剪強(qiáng)度幾乎相等，此時(shí)已達(dá)到道床需要維護(hù)的臨界點(diǎn).

圖6 黏土及煤渣污染示意Fig.6 Schematic diagram of ballast aggregates fouled by clays and coals

圖7為各污染情況下道砟集料的峰值摩擦角Φmax與σn關(guān)系曲線.對(duì)于同種污染物，在相同法向壓力條件下，隨著污染程度的增加，格柵加固道砟的峰值摩擦角會(huì)逐漸減小.而對(duì)比不同臟污質(zhì)影響下的道砟集料，可以發(fā)現(xiàn)煤渣污染使格柵加固道砟展現(xiàn)出更低的峰值摩擦角.這說(shuō)明，相較于黏土臟污，煤渣臟污對(duì)格柵加固集料抗剪性能具有更不利的影響.

圖7 Φmax 與 σn 關(guān)系Fig.7 Relationships between peak friction angle Φmax and normal stress σn

2.2 變形特性分析

為研究臟污情況下道砟集料的變形特性，圖8展示了受黏土或煤渣污染時(shí)，道砟試樣的法向位移Δn隨Δs變化曲線.從圖中可以看出：所有試樣在剪切前期均經(jīng)歷了短暫的剪縮階段，且隨著法向壓力的增加，剪縮現(xiàn)象更明顯，剪縮階段持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)；隨后試樣體積逐漸增加，出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象直到整個(gè)剪切過(guò)程結(jié)束.相同壓力條件下，受黏土或煤渣污染的道砟試樣法向位移隨剪切位移變化如圖9所示.為節(jié)約篇幅，此處僅展示了法向壓力為55 kPa時(shí)的各試樣法向位移變化圖.對(duì)比VCI為0 （即未受污染的格柵加固道砟試樣）與VCI為20%和40%的格柵加固道砟試樣，可以發(fā)現(xiàn)：干凈道砟的體積變形最大；隨著道砟臟污程度增加，試樣的體積變形會(huì)減小.這是因?yàn)楫?dāng)污染程度逐漸增加時(shí)，更多的道砟骨架孔隙被臟污質(zhì)顆粒所填充，道砟顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)更困難.盡管格柵可限制道砟的側(cè)向變形，但剪切過(guò)程中道砟顆粒的重排布受到了臟污質(zhì)顆粒的限制，故造成試樣體積變化更不明顯.

圖8 不同臟污情況下受格柵加固與未受格柵加固道砟Δn與Δs關(guān)系Fig.8 Relationships between Δn and Δs for geogrid-reinforced and unreinforced ballast under various fouling levels

圖9 σn = 55 kPa 時(shí) Δn 與 Δs關(guān)系Fig.9 Relationships between normal displacement Δn and shearing displacement Δs under σn=55 kPa

對(duì)比同一污染程度下受黏土和煤渣污染的格柵加固道砟試樣，受煤渣污染試樣的體積變形比受黏土污染試樣的大30.5%.這是由于臟污雜質(zhì)材料性質(zhì)不同導(dǎo)致：相較于煤渣顆粒粗糙的表面，黏土顆粒的表面相對(duì)較光滑，故黏土顆粒與道砟顆粒之間的摩擦力較小，道砟顆粒更容易重新排布，導(dǎo)致體積變形更小.

剪脹角常用來(lái)表示材料在剪切過(guò)程中體積變化率.圖10為不同壓力條件下，分別受煤渣、黏土臟污質(zhì)污染的格柵加固道砟峰值剪脹角φmax與σn關(guān)系.由圖可以看出：對(duì)于所有試樣，法向壓力的增加會(huì)導(dǎo)致峰值剪脹角的降低；不受格柵加固的干凈道砟φmax值最大，格柵加固干凈道砟次之；隨著污染程度的增加，試樣的φmax值也逐漸減小；同時(shí)，受煤渣污染的格柵加固道砟φmax值比受黏土污染的格柵加固道砟大.這說(shuō)明，在相同法向壓力條件下，發(fā)生相同剪切位移時(shí)，前者比后者更容易發(fā)生體積膨脹.

圖10 φmax 與 σn 關(guān)系Fig.10 Relationships between φmax and σn

3 結(jié) 論

為研究不同臟污雜質(zhì)對(duì)格柵加固性能的影響，本文選取煤渣和黏土兩種道床常見臟污材料，對(duì)格柵加固道砟以及未受格柵加固道砟開展了一系列不同污染程度下的直剪試驗(yàn)，研究了臟污質(zhì)對(duì)格柵加固機(jī)理的影響，并分析了不同臟污質(zhì)的影響差異機(jī)理，可得到以下結(jié)論：

1）隨著污染程度的增加，煤渣或黏土質(zhì)污染均會(huì)導(dǎo)致道砟集料剪應(yīng)力、峰值摩擦角降低，法向剪脹位移、峰值剪脹角減小.

2）同一臟污程度下，煤渣臟污引起的格柵加固道砟剪切強(qiáng)度下降現(xiàn)象更顯著.當(dāng)污染指標(biāo)VCI從20%增加至40%時(shí)，在低圍壓下黏土污染的格柵加固道砟強(qiáng)度降低20.3%，在高圍壓下該值降低9.1%；而煤渣污染的格柵加固道砟受法向壓力變化影響較小，始終為7.3%左右.這是由于煤渣顆粒粒徑較黏土顆粒粒徑更大所導(dǎo)致.

3）對(duì)于臟污質(zhì)對(duì)格柵加固道砟變形特性的影響，煤渣污染的格柵加固道砟具有更明顯的剪縮現(xiàn)象，峰值剪脹角也更大.同一污染程度下，煤渣污染的格柵加固道砟體積變形比黏土污染的試樣大30.5%.這是由于煤渣顆粒表面更粗糙，導(dǎo)致道砟顆粒在受到剪切時(shí)更難發(fā)生重排布，從而引起更大的體積變形.

4）相較于黏土臟污，煤渣臟污會(huì)對(duì)格柵加固道砟的剪切力學(xué)行為產(chǎn)生更不利的影響.在實(shí)際工程中應(yīng)該更注意道床上部列車產(chǎn)生的煤渣污染.