不同臟污質對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

（武漢大學土木建筑工程學院, 湖北 武漢 430072）

在長期服役過程中，雜質顆粒會逐漸侵入道砟骨架空隙，造成道床臟污.道砟臟污不僅會產生高昂的維護成本，還會增加鐵路運行的安全風險.研究表明，臟污會降低道床穩定性、承載力和排水能力，并引發道床板結和翻漿冒泥等病害[1-2].臟污質主要包括：1）基床表層及底砟層滲入的細小土石顆粒；2）上部侵入的煤渣、礦渣、砂石顆粒以及枕木風化后的碎屑；3）發生磨損與破碎的道砟顆粒[3].目前，國內外關于臟污道砟的力學行為特性已有大量研究.Koohmishi等[4]研究了臟污道砟顆粒級配及尺寸對其導水性能的影響，結果顯示：臟污道砟的排水性能受道砟級配、污染物級配及污染程度的影響；受細砂污染道砟的滲透系數比受粗砂污染道砟的滲透系數低10倍左右.Kashiani等[5]針對磨損的臟污道砟，開展了一系列大型三軸壓縮試驗，研究了顆粒含水率對其力學特性的影響.Indraratna等[6-7]利用室內三軸試驗，并結合相應離散元（DEM）數值模型，通過分析顆粒運動及顆粒間接觸特征，提出了污染物對道砟的“潤滑劑”效應，認為臟污質填充于道砟空隙，弱化了顆粒間的咬合，從而降低了集料的抗剪強度.

為提升有砟軌道道床性能，在鐵道工程領域常常采用格柵、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度，并有效減小道床沉降[8–10].土工格柵主要通過約束道砟集料的側向變形，增加道砟顆粒間的咬合，從而實現其加固機理[11-12].然而，由于臟污質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（如濕潤的黏土質等），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發生改變.

目前，國內外對臟污道砟或格柵加筋道砟的力學性能已進行了充分研究，但針對不同臟污質對格柵加固性能影響進行比較研究的文獻較少.Indraratna等[13-14]分析了不同臟污程度下格柵加筋道砟的強度及變形特性，但臟污質僅局限于煤渣顆粒，不同臟污情況下格柵加筋道砟的力學性能演化規律仍不明晰.根據Huang等[15-16]關于不同污染物對道砟的強度及變形特性的研究，污染物的種類及含量對道砟力學行為具有明顯影響.因我國現有的有砟鐵路列車運載性質多樣、所處地理環境復雜等原因，道床臟污來源不盡相同.如處于華北地區的大秦線、蒙華鐵路等多條貨運線路主要受到上部的煤渣污染；對于南方山區、丘陵地帶的鐵路軌道，由于地基層不充分排水，產生的黏土污染最為嚴重；煤渣及黏土的材料物理性質、顆粒級配及強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，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，分析不同法向壓力條件下各試樣強度及形變發展規律，探討了其抗剪強度、峰值摩擦角、剪脹角等力學參數的變化特性，分析比較了不同臟污質對格柵加筋道砟性能影響的差異，以期為實際鐵路運維過程中格柵加固的方法設計及效果評判提供理論依據.

1 試驗設計

1.1 試驗儀器

由于道砟顆粒尺寸較大，傳統直剪設備無法滿足試驗要求，因此本文自主設計一套大型道砟集料直剪設備，如圖1所示.該設備由4部分構成：1）反力系統，包括反力架（構件）及反力底座（構件）；2）加載系統，包括水平千斤頂及豎向千斤頂，該設備使用的千斤頂可提供15 t推力，滿足該直剪試驗所需的要求，在剪切過程中豎向千斤頂施加的法向壓力恒定，而水平千斤頂由數控油壓設備控制，實現勻速水平推力；3）裝樣系統，包括上、下剪切盒及蓋板；4）數據采集系統，包括位移傳感器、靜態應變儀.

圖1 大型直剪設備Fig.1 Large-scale direct shear test equipment

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

1.2 試樣制備

該試驗使用的道砟級配滿足我國《鐵路碎石道砟》（TB/T 2140—2008）[17]標準，相關參數見圖2.

圖2 道砟級配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Cc=1.75 mm，不均勻系數Cu= 1.15 mm.分別采用煤渣、黏土作為污染雜質，其相關力學指標見表1，所用格柵如圖3所示.根據Mcdowell等[18]的研究，最優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約束.此試驗所用道砟D50=39 mm，故孔徑尺寸選為 55 mm，格柵相關參數見表2.根據Indraratna等[19]對道砟臟污程度的定義，采用 VCI （void contamination index,VVCI）作為該試驗臟污質污染指標，見式（1）.

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

圖3 試驗用土工格柵Fig.3 Geogrid used in the experiments

表1 道砟及臟污質相關力學指標Tab.1 Mechanical indexes of ballast and fouling substances

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

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

表3 試樣設置情況Tab.3 Details of experimental specimens

1.3 試驗步驟

為減小試驗誤差，試驗前開展了預試驗并以此確定直剪試樣中道砟集料的堆積密度（壓實后為1 432 kg/m3），從而計算各組試驗中道砟的合理用量.為減小剪切過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部均涂抹潤滑油.制樣時，每組試樣稱取等量道砟集料275 kg，與式（1）計算得到相應質量的臟污雜質充分拌合.裝樣過程中，每150 mm高度采用低錘重壓的方式對試樣進行壓實.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，對試樣施加100 kPa的法向壓力進行過載壓實，該壓力持續60 s，待試樣穩定后緩慢卸載至0，隨后緩慢施加法向壓力至設定值，即15、35、55、75 kPa.剪切過程中，水平千斤頂以3 mm/min的速度緩慢施加水平推力；法向壓力通過伺服控制系統維持壓力恒定.通過預試驗發現，在剪切應變達到10%之前，剪切力已逐漸趨于穩定，剪切面出現明顯破壞.因此本試驗在加載過程中待剪切應變達到10%，即剪切位移達到60 mm時停止.

2 試驗結果

2.1 強度特性分析

黏土及煤渣分別作為臟污質時，在不同污染程度下道砟試樣的剪切應力τs隨剪切位移Δs發展情況如圖4.從圖可以看出：隨著法向壓力σn的提高，各試樣的抗剪強度均逐漸提高；相同試驗環境下（即污染物種類、VCI值及法向壓力均維持一致），不論臟污質材料及臟污質含量，受格柵加固道砟集料的抗剪強度明顯高于未受格柵加固道砟集料的抗剪強度，格柵的存在可顯著提高道砟集料的抗剪強度；在道床受到外界雜質污染時，布置格柵可作為減輕道砟抗剪強度降低的手段，這是由于格柵的縱橫肋限制了道砟顆粒的平移與旋轉，從而加強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力τs與剪切位移 Δs的關系Fig.4 Relationships between τs and Δs for geogrid-reinforced and unreinforced ballast under various fouling levels

為探究不同臟污質對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，峰值抗剪強度τsmax與σn關系.從圖5可以看出：干凈的受格柵加固道砟集料表現出最大峰值抗剪強度；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，在σn=15 kPa時，VCI從20%增加至40%，受黏土污染的試樣峰值強度降低20.3%，隨著σn增加至75 kPa時，該試樣峰值強度降低9.1%；對于受煤渣污染的試樣，峰值強度降低比受σn的影響較小，始終維持在7.3%左右.

圖5 峰值強度 τsmax 與法向壓力 σn 關系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出更低的抗剪強度.這說明相較于黏土臟污，煤渣會對格柵加固道砟的剪切性能產生更不利的影響，這是由黏土和煤渣不同的顆粒粒徑所導致，如圖6所示.由圖可知：當污染程度較低時，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，導致道砟顆粒間力鏈的斷裂；當污染程度較高時，黏土完全填充道砟骨架孔隙，或格柵與道砟顆粒之間，限制了道砟的運動；相反而言，由于煤渣顆粒粒徑較大，其之間的相對運動導致道砟顆粒更易移動與旋轉.當VCI值達到40%時，受黏土污染和受煤渣污染的格柵加固道砟峰值剪切強度最低，且兩者抗剪強度幾乎相等，此時已達到道床需要維護的臨界點.

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關系曲線.對于同種污染物，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逐漸減小.而對比不同臟污質影響下的道砟集料，可以發現煤渣污染使格柵加固道砟展現出更低的峰值摩擦角.這說明，相較于黏土臟污，煤渣臟污對格柵加固集料抗剪性能具有更不利的影響.

圖7 Φmax 與 σn 關系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，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歷了短暫的剪縮階段，且隨著法向壓力的增加，剪縮現象更明顯，剪縮階段持續的時間越長；隨后試樣體積逐漸增加，出現剪脹現象直到整個剪切過程結束.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.為節約篇幅，此處僅展示了法向壓力為55 kPa時的各試樣法向位移變化圖.對比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，可以發現：干凈道砟的體積變形最大；隨著道砟臟污程度增加，試樣的體積變形會減小.這是因為當污染程度逐漸增加時，更多的道砟骨架孔隙被臟污質顆粒所填充，道砟顆粒的相對運動更困難.盡管格柵可限制道砟的側向變形，但剪切過程中道砟顆粒的重排布受到了臟污質顆粒的限制，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關系Fig.8 Relationships between Δn and Δs for geogrid-reinforced and unreinforced ballast under various fouling levels

圖9 σn = 55 kPa 時 Δn 與 Δs關系Fig.9 Relationships between normal displacement Δn and shearing displacement Δs under σn=55 kPa

對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%.這是由于臟污雜質材料性質不同導致：相較于煤渣顆粒粗糙的表面，黏土顆粒的表面相對較光滑，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，導致體積變形更小.

剪脹角常用來表示材料在剪切過程中體積變化率.圖10為不同壓力條件下，分別受煤渣、黏土臟污質污染的格柵加固道砟峰值剪脹角φmax與σn關系.由圖可以看出：對于所有試樣，法向壓力的增加會導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，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.這說明，在相同法向壓力條件下，發生相同剪切位移時，前者比后者更容易發生體積膨脹.

圖10 φmax 與 σn 關系Fig.10 Relationships between φmax and σn

3 結 論

為研究不同臟污雜質對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，研究了臟污質對格柵加固機理的影響，并分析了不同臟污質的影響差異機理，可得到以下結論：

1）隨著污染程度的增加，煤渣或黏土質污染均會導致道砟集料剪應力、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度下降現象更顯著.當污染指標VCI從20%增加至40%時，在低圍壓下黏土污染的格柵加固道砟強度降低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致.

3）對于臟污質對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，導致道砟顆粒在受到剪切時更難發生重排布，從而引起更大的體積變形.

4）相較于黏土臟污，煤渣臟污會對格柵加固道砟的剪切力學行為產生更不利的影響.在實際工程中應該更注意道床上部列車產生的煤渣污染.