基于滲透性能的道床臟污評估標準研究

郄錄朝，徐 旸，李 明，王 紅，王眾保

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國國家鐵路集團有限公司 工電部，北京 100844)

道床的清篩周期與道床狀態參數有密切的關系，道床狀態一般以軌道的剛度、道床的密實度以及道床的臟污程度等評價。引起道床臟污的原因來自兩方面：外部原因，主要是運輸煤、砂、石等散裝貨物的遺撒以及沿線的風沙塵土等；內部原因，主要是道砟的磨損粉化等。有砟軌道道床具備的彈性可以使軌道結構的剛度匹配更為合理，當道床的孔隙被細顆粒污染完全填滿時，就會影響道床彈性，不利于輪軌相互作用[1-2]，導致列車的運行品質下降、軌道不平順加劇等系列問題，道床也不能發揮排水功能，軌道幾何形位保持能力變差，此時就必須進行清篩，恢復道床功能[3]。

道床臟污程度一般通過道床臟污率進行評價。各國道砟標準對最小粒徑均有明確的規定，小于最小粒徑的顆粒就是道床的臟污成分，這種成分的質量與道床總重的百分比，稱為道床質量臟污率，這種成分所占的體積與道床總體積之比，稱為道床體積臟污率。道床體積臟污率更能準確反映道床臟污程度，但難以通過試驗的手段直接測量，理論上可以通過道床密度對道床的體積臟污率進行反算。

工程實際中，一般通過直接測試道床質量臟污率評價道床臟污程度，而道床質量臟污率與體積臟污率、密實度及道砟容重具有復雜的相關性，且目前該領域的研究也較為欠缺。文獻[1]的研究也表明，當道床臟污發展至一定程度，而道床孔隙未被全部填滿時，就會引起道床滲透性能急劇減弱，進而導致道床力學性能下降、軌道幾何形位難以保持等一系列問題。如不及時進行處理，就會嚴重影響列車的運行品質，并為工務部門的養護維修帶來極大困難。

本文在分析有砟軌道道床理論最大質量臟污率范圍的基礎上，進行道床臟污率對道床滲透性能的影響研究，進而提出基于滲透性能的道床臟污評估標準。

1 有砟軌道道床理論最大質量臟污率范圍

我國行業標準TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》[4]對新建鐵路道床密實度進行了統一的規定，但鐵路碎石道砟涵蓋巖漿巖、沉積巖和變質巖等眾多種類，其容重千差萬別，對道床的初始密實度影響較大，造成了不同道砟的最大體積臟污率也不相同。為分析道砟容重對道床臟污率的影響，從全國各個采石場中隨機選取100組道砟進行道砟母巖容重測試，測試方法嚴格按照行業標準TB/T 2140.2—2018 《鐵路碎石道砟 第2部分：試驗方法》[5]執行，測試得到的100組道砟母巖樣本容重測試結果如圖1所示。

圖1 不同巖種道砟的容重測試結果

對道砟容重進行統計分析，得到圖2中100組樣本的道砟容重分布統計結果。

圖2 道砟容重分布統計結果

由圖2可以看出：我國道砟的材質容重主要在2.5～3.0 g·cm-3范圍內分布，其平均值為2.75 g·cm-3。此次抽取的100組樣本均符合我國行業標準TB/T2140—2008《鐵路碎石道砟》[6]中規定的道砟容重不得小于2.50 g·cm-3的要求。

道床的初始孔隙率γc，即最大體積臟污率可表示為

(1)

式中：V為道床試樣的總體積；mb為試樣中道砟顆粒的質量；ρb為道砟材質密度。

(2)

我國高速鐵路設計規范中規定道床密實度不小于1.75 g·cm-3，代入式(2)計算可知，當道砟的材質容重在2.5～3.0 g·cm-3范圍內分布時，所對應的道床的孔隙率約為30%～42%。即當道床孔隙被臟污完全填滿時，其最大體積臟污率為30%～42%。道床體積臟污率fv可表示為

(3)

式中：Vf為道床中臟污的體積，Vb為道砟的體積。

但由于在現場測試時，通常難以準確獲得道床的體積臟污率，而采用篩分稱重的方式獲取道床的質量臟污率則相對更容易。因此，對道床的質量臟污率進行分析，道床的質量臟污率fm可表示為

(4)

式中：mf為試樣中的臟污質量；ρf為臟污道床的密度。

將式(3)代入式(4)可得

(5)

參照道砟容重的統計分析結果，取ρb=2.75 g·cm-3。現場測試結果表明，道床臟污材料的容重一般為1.4～1.6 g·cm-3，取ρf=1.5 g·cm-3。假定穩定道床初始臟污率為零，且道床孔隙被完全填滿時必須進行清篩，則道床孔隙被填滿時，不同道砟容重對應的道床質量臟污率為18.9%～28.3%。

2 道床臟污率對道床滲透性能的影響

隨著線路的運營，由外部侵入灰塵、道砟本身破碎粉化等因素所導致的道床臟污會逐漸沉積在道床的孔隙中，如圖3所示，從而對道床的滲透性能產生影響，如不及時處理，就會引發道床板結、翻漿冒泥等病害。

在該領域，國內學者多是對于道床臟污的評估指標及不同臟污、級配條件下散體道床的剪切力學性能進行研究[7-9]，但對于道床臟污率與道床滲透性能之間相關性卻鮮有涉及。而國外學者對此則進行了較為系統的研究，并主要采用達西滲流試驗分析臟污阻塞道床孔隙從而分析道床滲透性能產生的影響[10-14]。但既有研究所采用的滲透儀器試驗容器直徑一般在30 cm以下，而碎石道砟的組成中最大粒徑通常為63 mm，為避免邊界效應，容器的邊界通常應大于散體物料最大粒徑的7倍以上，以道砟最大粒徑63 mm計，則容器的最小直徑應在441 mm，這是既有研究中所沒有考慮的。為彌補這一研究不足，本文研發了直徑50 cm滲透儀器。其結構示意圖如圖4所示。圖中Δh為水頭損失高度。

圖3 污染以后的道床

圖4 道砟滲透儀器示意圖

具體試驗步驟如下：①對儀器底部進行密封，以確保水流僅從底部透水孔通過；②將預定比例的污土放入滲透儀試驗艙內；③將預定比例的道砟顆粒放入滲透儀試驗艙內；④將試驗艙密封，涂抹密封劑，注入預定高度的水并靜置24 h；⑤開始試驗，并采用計量器和秒表測量單位時間內流出排水孔的水的體積。

臟污材料的級配見表1。

針對道砟體積臟污率分別為10%，15%，20%，25%和40%的道砟制作5份樣品，并重復3次。室內試驗實物如圖5所示。

表1 臟污材料級配

圖5 道砟滲透儀器實物圖

道床臟污的滲透系數k計算公式為

(6)

式中：Vw為滲流時間t內從滲透儀器下部流出水的總體積；h為被測試樣高度；A為試樣斷面面積。

得到的試驗結果見表2。

表2 不同臟污道床滲透系數

道床滲透系數隨臟污率的變化曲線如圖6所示。

由圖6可以看出：道床的滲透系數隨臟污率變化可以分為4個階段，當道床的體積臟污率由10%增加至15%時，會引起道床滲透系數的顯著減小，由原來的0.078 cm·s-1降低至0.026 cm·s-1，但并不影響道床的滲透性能；當道床的體積臟污率由15%增加至25%時，道床滲透系數的變化率逐漸減小，量值上道床的滲透率由0.019 cm·s-1降低至0.015 cm·s-1，變化幅度并不顯著；當道床的體積臟污率由25%增加至35%時，道床滲透系數已降至0.01 cm·s-1以下，且文獻[13]認為該值為道床嚴重阻塞時的滲透系數閾值，并會大大增加翻漿冒泥、道床板結等病害的發生概率。

圖6 道床臟污率與滲透系數關系

3 道床臟污程度評估標準

結合道床滲透系數的試驗研究結果，將道床的臟污程度按照滲透性能分成4個等級。即當道床體積臟污率在0～15%范圍內時，道床為輕度臟污，不需要清篩；當道床體積臟污率在15%～25%范圍內時，道床為中度臟污，可以考慮進行清篩；當道床的體積臟污率在25%～35%時，道床為重度臟污，需要進行清篩；當道床的體積臟污率大于35%時，需要立即進行清篩。按照滲透試驗結果所得出的道床體積及質量臟污率控制標準見表3。

文獻[15]認為傳統概念上質量臟污率達到30%的提法是不正確的。例如京石鐵路道床清篩4年后，其質量臟污率為18.5%。清篩15年后道床完全板結時的質量臟污率也僅為24.9%，本文的研究結果與文獻[15]的這一結論相佐證。

表3 不同臟污率道床評價標準

4 結論及建議

(1)道砟容重試驗結果表明，我國道砟的容重通常在2.5～3.0 g·cm-3范圍內分布。在理論計算或者統計分析時，可將道砟的平均容重取為2.75 g·cm-3。

(2)道砟容重及道床密度均會對道床孔隙率的分析結果造成影響。如需要準確分析道床的孔隙率，除現場獲取道床的密度之外，建議將道砟樣本寄回，測定其容重后，運用本文所提出的式(2)進行計算。

(3)道床的滲透系數隨臟污率變化可以分為4個階段，當道床的體積臟污率由10%增加至15%時，會引起道床滲透系數的顯著減小，但并不影響道床的滲透性能；當道床的體積臟污率由15%增加至25%時，道床的滲透系數的變化率逐漸減小，但變化幅度并不顯著；當道床的體積臟污率由25%增加至35%時，道床滲透性能已經較弱。當道床的體積臟污率大于35%時，道床的滲透性能極低。

(4)對于清篩時機，當道床的質量臟污率≤10%時，道床為輕度臟污，不需要清篩；當道床的質量臟污率在10%～17%范圍內時，道床為中度臟污，可以考慮進行清篩；當道床的質量臟污率在17%～25%范圍內變化時，道床為重度臟污，需要進行清篩；當道床的質量臟污率大于25%時，基本可判定道床板結，需要立即進行清篩。