搗固作業(yè)對(duì)道砟破碎傷損影響規(guī)律的試驗(yàn)研究

韓宏洋 楊永平 楊軼科 楊思偉 徐旸 楊曦

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵路昆明局集團(tuán)有限公司，昆明 650000；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

有砟軌道的散粒體道砟顆粒會(huì)在列車的循環(huán)作用下產(chǎn)生不均勻的累積變形，引起線路的幾何不平順。采用大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行起道、搗固作業(yè)是改善有砟道床幾何平順性的主要手段。通過(guò)搗固機(jī)械將剛性搗鎬插入碎石道床內(nèi)，枕盒間的道砟會(huì)重新擠入整體軌枕底部，使有砟道床恢復(fù)彈性。關(guān)于搗固作業(yè)對(duì)道床力學(xué)性能的影響規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)［1］對(duì)搗固作業(yè)前后道床的力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行了分析，認(rèn)為搗固作業(yè)會(huì)增大道床的共振頻率、支承剛度、道床的橫向阻力。文獻(xiàn)［2］通過(guò)道砟三軸試驗(yàn)研究了起道、搗固作業(yè)對(duì)道床狀態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)起道及搗固作業(yè)會(huì)破壞道床內(nèi)部的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使道床出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，建議道床的搗固作業(yè)越少越好。文獻(xiàn)［3］采用室內(nèi)道砟箱試驗(yàn)?zāi)M了新建及臟污道床在搗固前后的抗累積變形能力，并認(rèn)為當(dāng)臟污率大于30%以后，道床彈性下降、塑性增強(qiáng)，搗固后循環(huán)荷載產(chǎn)生的道床沉降將大于搗固之前的道床沉降。文獻(xiàn)［4］采用道砟箱試驗(yàn)研究了4種不同物理性能道砟在循環(huán)搗固作用下的力學(xué)性能，并指出道砟本身的物理性能會(huì)對(duì)搗固作用后的力學(xué)行為產(chǎn)生顯著的影響。文獻(xiàn)［5］采用離散元法將道砟顆粒進(jìn)行粘接以模擬板結(jié)道床，并研究了搗固作業(yè)對(duì)板結(jié)道床性能的影響，認(rèn)為板結(jié)道床應(yīng)采用差異化的作業(yè)參數(shù)。文獻(xiàn)［6］采用室內(nèi)實(shí)尺試驗(yàn)與數(shù)值仿真結(jié)合的手段，研究了不同搗固作業(yè)參數(shù)對(duì)道密實(shí)度、道砟接觸力等參數(shù)的影響規(guī)律，并指出搗固引起的道砟顆粒破碎是今后研究中需要關(guān)注的問(wèn)題。文獻(xiàn)［7］在研究搗鎬對(duì)有砟道床細(xì)觀作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了搗固與穩(wěn)定作業(yè)合理參數(shù)的評(píng)價(jià)方法，為搗固質(zhì)量的合理評(píng)估提供了方法。

實(shí)際工程中，在搗鎬的沖擊及夾持作用下，道砟顆粒會(huì)不可避免地破碎，導(dǎo)致道砟顆粒外形及道床級(jí)配發(fā)生變化，從而對(duì)道床的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。既有研究多關(guān)注搗固作業(yè)本身對(duì)道床力學(xué)性能的影響規(guī)律，而關(guān)于搗固作業(yè)對(duì)道砟破碎及道床傷損的定量化研究卻鮮有涉及。本文采用原位搗固試驗(yàn)，定量分析搗固次數(shù)對(duì)道砟破碎的影響規(guī)律，并對(duì)道砟顆粒的典型破碎形式進(jìn)行研究。

1 循環(huán)搗固破碎試驗(yàn)

為研究搗固作業(yè)對(duì)道砟破碎的影響規(guī)律，本文設(shè)計(jì)了道砟顆粒的循環(huán)搗固破碎試驗(yàn)，并在臨滄站附近的橋上新建有砟軌道線路中選取一處枕盒開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。為便于觀察道砟的破碎情況，將該空枕盒內(nèi)的道砟進(jìn)行染色，如發(fā)生道砟顆粒破碎的情況，則道砟顆粒的破碎面會(huì)呈現(xiàn)出原有巖石的顏色，以此觀測(cè)道砟顆粒的破碎情況。在搗固破碎試驗(yàn)中，該區(qū)域的道砟直接受搗鎬插搗作用，通過(guò)篩分稱重的方式記錄初始的道砟顆粒級(jí)配。試驗(yàn)時(shí)對(duì)該枕盒內(nèi)道砟進(jìn)行搗固，每次搗固后將染色道砟全部挖出，并進(jìn)行篩分和稱重。隨后回填，再進(jìn)行第2次搗固，共循環(huán)6次，得到大機(jī)搗固作業(yè)次數(shù)對(duì)道砟顆粒破碎以及級(jí)配變化的影響規(guī)律。道砟現(xiàn)場(chǎng)搗固作業(yè)見(jiàn)圖1。

圖1 道砟現(xiàn)場(chǎng)搗固作業(yè)

道砟顆粒級(jí)配的變化過(guò)程見(jiàn)圖2。可見(jiàn)，搗固作業(yè)對(duì)道砟顆粒的外觀有顯著影響，每一次搗固作業(yè)都會(huì)造成道砟顆粒的主體和局部發(fā)生破碎，且隨搗固次數(shù)增加大顆粒道砟數(shù)量逐漸減少、小顆粒道砟數(shù)量逐漸增多，道砟表面的顏色逐漸變淺，說(shuō)明搗固作業(yè)還會(huì)引起道砟顆粒的邊角磨耗、粉化。

圖2 道砟顆粒級(jí)配的變化過(guò)程

2 搗固對(duì)道砟級(jí)配的影響規(guī)律

搗固前后道砟級(jí)配曲線見(jiàn)圖3?？芍?，與初始級(jí)配曲線相比，每次搗固后的級(jí)配曲線均發(fā)生了向上的移動(dòng)，表明隨著搗固次數(shù)增加，大粒徑道砟含量減少，小粒徑道砟含量增加。

圖3 搗固前后道砟級(jí)配曲線

定義搗固前后道砟的質(zhì)量變化率Cb以分析搗固對(duì)每一粒級(jí)道砟顆粒破碎的影響規(guī)律，表達(dá)式為式中：b6為第6次搗固作業(yè)后，當(dāng)前粒級(jí)道砟顆粒的過(guò)篩質(zhì)量百分比；b0為道砟顆粒的初始過(guò)篩質(zhì)量百分比。

不同粒級(jí)道砟質(zhì)量變化率隨搗固次數(shù)的變化情況，見(jiàn)圖4。

圖4 不同粒級(jí)道砟質(zhì)量變化率隨搗固次數(shù)的變化情況

由圖4可知，道砟顆粒的破碎主要分為三個(gè)階段：第Ⅰ階段（第0~2次搗固），56~63 mm粒級(jí)的道砟顆粒是發(fā)生破碎的主要來(lái)源，且主要破碎為45~56、25~35.5、16 mm以下三種粒級(jí)的道砟顆粒。第Ⅱ階段（第3~4次搗固）道床樣本中45~63 mm粒徑的道砟顆粒質(zhì)量逐漸減少，并破碎為16~25、35.5~45 mm兩種粒級(jí)的道砟。第Ⅲ階段（第5~6次搗固），56~63、45~56、25~35.5 mm三種粒級(jí)的道砟顆粒質(zhì)量逐漸減小，破碎為35.5~45、16~25、16 mm以下三種粒級(jí)的道砟。說(shuō)明隨著搗固次數(shù)增加，道砟顆粒破碎率并非與粒徑完全成正相關(guān)關(guān)系，不同搗固次數(shù)下不同粒徑道砟的破碎率存在較大的差異，會(huì)引起道床道砟級(jí)配相比于設(shè)計(jì)級(jí)配發(fā)生較大的改變。

為反映搗固后道砟質(zhì)量變化對(duì)整體級(jí)配的影響，定義道砟質(zhì)量變化影響率e為式中：e0為搗固前各個(gè)粒級(jí)道砟所占的質(zhì)量百分比。

搗固作業(yè)后道砟顆粒級(jí)配的變化見(jiàn)表1。可知，6次搗固作業(yè)對(duì)16~25、35.5~45、56~63 mm三種粒級(jí)道砟顆粒的質(zhì)量百分比影響最顯著。按照TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》中25 mm粒級(jí)以下顆粒作為道床臟污判斷標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)6次搗固后，道床的質(zhì)量臟污率已經(jīng)由搗固前的11.1%增加為

表1 搗固作業(yè)后道砟顆粒級(jí)配的變化

18.7%。

3 道砟顆粒破碎形式

搗固作業(yè)前后道砟顆粒粒徑變化見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)，經(jīng)過(guò)6次搗固作業(yè)后，道砟顆粒發(fā)生了明顯的破碎現(xiàn)象，大顆粒數(shù)量急劇減少。

圖5 搗固作業(yè)前后道砟顆粒粒徑變化（單位：mm）

單個(gè)道砟顆粒破碎形式的取樣分析結(jié)果表明，道砟顆粒的破碎形式主要可以分為道砟主體分離和局部掉塊兩種類型，見(jiàn)圖6。

圖6 道砟顆粒的破碎形式

道砟的主體分離主要是指當(dāng)大粒徑道砟顆粒承受荷載大于自身承載極限時(shí)，大顆粒從中部分解為2~3塊小顆粒道砟。該過(guò)程類似于道砟顆粒生產(chǎn)過(guò)程中的巖石破碎過(guò)程，道砟顆粒的粒徑發(fā)生較大變化。局部掉塊主要是指道砟顆粒表面崩離掉塊形成粉末狀細(xì)料，而道砟顆粒粒徑并未發(fā)生明顯變化。這就解釋了圖4中粒徑范圍在16 mm以下、16~25 mm以及35.5~45 mm的道砟顆粒隨搗固次數(shù)增加質(zhì)量變化率逐漸增大的原因。大粒徑道砟顆粒主要發(fā)生兩類破碎模式，即破碎成若干小粒徑臟污顆粒（粒徑小于25 mm）和一塊中等粒徑顆粒（粒徑在35.5~45 mm）。前者會(huì)導(dǎo)致道床的級(jí)配發(fā)生顯著變化，后者會(huì)造成道床的臟污率增加。

4 不同粒級(jí)道砟的搗固破碎率

為定量分析每次搗固作業(yè)下不同粒徑道砟的破碎規(guī)律，計(jì)算每次搗固作業(yè)后道床各粒級(jí)道砟顆粒質(zhì)量百分比相比前一次搗固作業(yè)的質(zhì)量變化率，見(jiàn)圖7。

圖7 搗固后各粒級(jí)道砟顆粒質(zhì)量變化率

由圖7可知，前3次搗固會(huì)引起道砟顆粒質(zhì)量發(fā)生顯著變化，而后3次搗固引起的道砟顆粒質(zhì)量變化率基本穩(wěn)定。因此，取前3次搗固后道砟顆粒質(zhì)量變化率的平均值對(duì)新建道床道砟顆粒破碎率進(jìn)行分析，取后3次搗固后道砟顆粒質(zhì)量變化率的平均值對(duì)運(yùn)營(yíng)期間道砟顆粒破碎率進(jìn)行分析。定義道床各粒級(jí)道砟破碎率為Cn，即

式中：n為搗固次數(shù)；pi為第i次搗固時(shí)道砟顆粒的質(zhì)量變化率。

Cn為負(fù)值說(shuō)明該粒級(jí)道砟顆粒破碎的質(zhì)量大于上一粒級(jí)顆粒破碎所補(bǔ)充的質(zhì)量；Cn為正值說(shuō)明該粒級(jí)道砟顆粒破碎的質(zhì)量小于上一粒級(jí)顆粒破碎所補(bǔ)充的質(zhì)量，質(zhì)量有所增加。新建（i=1，n=3）及運(yùn)營(yíng)期（i=3，n=6）道床的道砟破碎率見(jiàn)表2?？芍瑢?duì)于新建道床，56~63 mm粒級(jí)的道砟顆粒是發(fā)生破碎的主要來(lái)源，破碎率為-26.99%。而對(duì)于運(yùn)營(yíng)期道床，道砟顆粒破碎主要發(fā)生于25 mm粒級(jí)以上的道砟顆粒，與新建道床相比，25 mm粒級(jí)以下的道砟顆粒破損率更高。對(duì)于搗固次數(shù)較多的道床，搗固作業(yè)主要會(huì)引起細(xì)顆粒增多，道床臟污率增大。

表2 新建道床及運(yùn)營(yíng)期道床道砟破碎率

5 結(jié)論

1）搗固作業(yè)會(huì)引起道砟顆粒發(fā)生明顯的破碎，并由大顆粒逐漸轉(zhuǎn)化為小顆粒，進(jìn)而導(dǎo)致道砟整體級(jí)配發(fā)生顯著變化。說(shuō)明搗固作業(yè)會(huì)造成道砟顆粒明顯傷損，應(yīng)在有砟道床的養(yǎng)護(hù)維修中予以重點(diǎn)關(guān)注。

2）搗固作業(yè)主要會(huì)引起單個(gè)道砟顆粒的粒徑減小以及表面掉塊。前者會(huì)導(dǎo)致道床的級(jí)配發(fā)生顯著變化，后者會(huì)造成道床的臟污率增加。

3）對(duì)于新建道床，56~63 mm粒級(jí)道砟顆粒是搗固作用下道砟破碎的主要來(lái)源，即搗固作業(yè)對(duì)新建有砟道床最主要的影響是導(dǎo)致大顆粒破碎。

4）對(duì)于運(yùn)營(yíng)期的道床，搗固引起的道砟顆粒破碎主要發(fā)生在25 mm粒級(jí)以上的道砟，即對(duì)于搗固次數(shù)較多的道床，搗固作業(yè)主要會(huì)引起細(xì)顆粒增多，道床臟污率增大。

搗固作業(yè)對(duì)不同服役階段有砟軌道造成的傷損形式不同，應(yīng)針對(duì)不同道床狀態(tài)提出差異化的搗固作業(yè)參數(shù)，減少搗固作業(yè)對(duì)道床的傷損，延長(zhǎng)道砟使用壽命。