道岔區(qū)域環(huán)氧瀝青固化的有砟道床侵入病害特征數(shù)值模擬

郭毅飛，張曉磊，孟永偉，王曉晨，楊晶

摘要：為保障列車運(yùn)行安全，研究道岔區(qū)域用環(huán)氧瀝青材料固化的有砟道床煤灰侵入病害特征數(shù)值模擬方法。在道岔區(qū)域有砟道床的道岔直股、道岔側(cè)股與存車線上分別采集3個(gè)道岔區(qū)域有砟道床樣本，對道床顆粒實(shí)施大型三軸試驗(yàn)和大型直剪試驗(yàn)的離散元數(shù)值模擬，分析煤灰侵入病害道床的顆粒接觸力、應(yīng)力、應(yīng)變與位移性能。結(jié)果表明，在煤灰侵入病害等級逐漸提升的條件下，環(huán)氧瀝青材料固化類道床顆粒的荷載抵抗力下降，道床顆粒間的接觸力有所下降，間接說明道床的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢，道床的剪切強(qiáng)度與無煤灰侵入病害時(shí)相比下降幅度達(dá)到33%左右。

關(guān)鍵詞：道岔區(qū)域；有砟道床；煤灰侵入病害；離散元模擬；三軸試驗(yàn)；直剪試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U213.7；TE626.8+61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）12-0165-04

Numerical simulation on the characteristics of coal ash intrusion disease of ballast track bed cured with epoxy asphalt material in turnout area

GUO Yifei，ZHANG Xiaolei，MENG Yongwei，WANG Xiaochen，YANG Jing

（Guoneng Shuohuang Railway Development Co.，Ltd.，Suning 062350，Hebei China）

Abstract：In order to ensure the safety of train operation，the numerical simulation method for the characteristics of coal ash intrusion disease in the ballast track bed cured with epoxy asphalt material in the turnout area was studied.Samples of ballasted track bed in three turnout areas was collected on the turnout straight strand，turnout side strand and storage line of ballasted track bed in the turnout area.The discrete element numerical simulation of? large-scale triaxial test and large-scale direct shear test was carried out on the track bed particles to analyze the contact force，stress，strain and displacement properties of the particles of the ash invading the diseased track bed.The results showed that the load resistance of track bed particles cured with epoxy asphalt material decreased when the grade of ash intrusion disease increased gradually.The contact force between the particles of the track bed decreased，which indirectly indicated that the shear strength of the track bed showed a decreasing trend，and the shear strength of track bed decreased by about 33% compared with that when there was no coal ash invasion disease.

Key words：turnout area;ballast track bed;ash intrusion disease;discrete element simulation;triaxial test;direct shear test

鐵路有砟軌道道床的固化，是在碎石道床內(nèi)灌注或噴灑聚氨酯、瀝青等固化材料，將散粒體道床固結(jié)成整體結(jié)構(gòu)的過程。近年來，環(huán)氧瀝青憑借其優(yōu)異的路用性能，成為鐵路行業(yè)研究中不可忽視的一種新型材料。然而還有一個(gè)問題需要引起重視，即列車行進(jìn)過程中有較大概率掉落煤灰，煤灰侵入經(jīng)環(huán)氧瀝青材料固化的道床，會(huì)對其實(shí)際工作性能產(chǎn)生較大影響，威脅列車行進(jìn)安全。因此研究道岔區(qū)域經(jīng)環(huán)氧瀝青材料固化的有砟道床煤灰侵入病害特征具有重要意義。

1固化道床煤灰侵入病害特征數(shù)值模擬方法

1.1固化有砟道床鉆芯取樣

依照當(dāng)前道岔區(qū)域有砟道床病害的實(shí)際情況，采用鉆芯取樣的方式采集道岔區(qū)域有砟道床樣本。圖1所示為鉆孔取芯位置。其中，1#～3#取芯位置處于道岔區(qū)域的直股道床，4#～6#取芯位置處于道岔區(qū)域的側(cè)股道床；7#～9#取芯位置處于道岔區(qū)域處于存車線股道內(nèi)的道床。

1#～3#位置取出的道岔區(qū)域有砟道床樣本長度均為250 mm；4#～6#位置取出的道岔區(qū)域有砟道床樣本長度均均為270 mm；7#～9#位置取出的道岔區(qū)域有砟道床樣本長度均為300 mm。

1.2煤灰侵入有砟道床病害特征數(shù)值模擬方法

1.2.1三軸試驗(yàn)法

通常情況下三軸試驗(yàn)所使用的樣本直徑均較小，但由于所模擬的是道岔區(qū)域有砟道床，其中的一顆顆粒直徑通常就在30 mm左右，因此在采用三軸實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行分析過程中選取大型三軸儀，由此可更準(zhǔn)確的描述道岔區(qū)域有砟道床正常狀態(tài)下與煤灰侵入病害狀態(tài)下的內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變與變形特征，抑制尺寸變換所導(dǎo)致的負(fù)面影響，令所得結(jié)果更具可靠性。

大型三軸儀的中圍壓單元箱體的直徑與高度分別為320、470 mm。所采集的道岔區(qū)域有砟道床樣本材質(zhì)均為石灰?guī)r，樣本顆粒粒徑為（30±5）mm，參考相關(guān)領(lǐng)域研究學(xué)者的研究成果，將箱體直徑與樣本顆粒粒徑上限的比值設(shè)置為6，在此條件下能夠保障所采集道岔區(qū)域有砟道床樣本直徑能夠抑制邊界效應(yīng)。

三軸試驗(yàn)過程中的圍壓分別設(shè)置為20、40和80 kPa，在此條件下對道岔區(qū)域有砟道床樣本實(shí)施軸向荷載后，從保障安全角度出發(fā)，在軸向應(yīng)變達(dá)到15%后立即結(jié)束加載。

1.2.2直剪試驗(yàn)法

以分析不同程度的煤灰侵入病害狀態(tài)對于道岔區(qū)域有砟道床剪切性能影響，采用上移式直剪儀對道岔區(qū)域有砟道床樣本實(shí)施直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，道床樣本同時(shí)承受水平向與豎向荷載，兩向荷載分別來自于反向橫向同上剪切盒間的荷載加載器與數(shù)控油壓設(shè)備的千斤頂。為降低剪切盒間相互摩擦作用對于試驗(yàn)結(jié)果的影響，在2個(gè)剪切盒之間設(shè)置鋼珠滑動(dòng)層。2個(gè)剪切盒內(nèi)徑長度均為450 mm。

采用離散元法模擬煤灰侵入病害對于道岔區(qū)域有砟道床剪切性能的影響過程中，以Vs表示直剪盒空間體積，依照式（1）確定道岔區(qū)域有砟道床樣本體積煤灰侵入率φ：

φ=zcdcVs-zbdb （1）

式中：zc和dc分別表示試驗(yàn)前稱重確定的煤灰質(zhì)量與密度；zb和db分別表示所采集道岔區(qū)域有砟道床樣本整體質(zhì)量與樣本顆粒密度。

1.2.3離散元數(shù)值模擬法

（1）離散元數(shù)值模擬模型。

離散單元法在實(shí)際模擬道岔區(qū)域有砟道床煤灰侵入病害特征數(shù)值過程中以離散單元的集合描述顆粒體（道床樣本內(nèi)顆粒以及煤灰顆粒），基于牛頓第二定律構(gòu)建不同離散單元的運(yùn)動(dòng)方程，在迭代求解過程中采用動(dòng)態(tài)松弛法，由此全面、準(zhǔn)確地確定顆粒體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；

由于道岔區(qū)域有砟道床整體呈現(xiàn)塊狀結(jié)構(gòu)，因此在采用離散元法實(shí)際模擬道岔區(qū)域有砟道床煤灰侵入病害特征數(shù)值過程中分析道岔區(qū)域有砟道床塊體結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)特征，反應(yīng)道岔區(qū)域有砟道床塊體間斷性力學(xué)行為；

（2）離散元數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置。

以提升離散元模型同實(shí)際道岔區(qū)域有砟道床力學(xué)性能的一致度為目的，在實(shí)際道岔區(qū)域有砟道床煤灰侵入病害特征數(shù)值模擬過程中需分析道岔區(qū)域有砟道床顆粒、煤灰顆粒的法向、切向接觸剛度，煤灰的、道床顆粒的表層摩擦系數(shù)以及粒徑級配等屬性，如表1所示。

對道岔區(qū)域有砟道床離散元數(shù)值模擬的相關(guān)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，表2為參數(shù)設(shè)定結(jié)果。

離散元數(shù)值模擬過程中，以均勻的1 mm球體模擬煤灰，并通過模型內(nèi)球體顆粒數(shù)體現(xiàn)煤灰侵入病害程度，依照模型內(nèi)所引入的煤灰數(shù)量上限確定完全侵入病害狀態(tài)，將道岔區(qū)域有砟道床煤灰侵入病害分為4個(gè)等級，嚴(yán)重侵入病害條件下球體顆粒引入道床顆粒的數(shù)量為100 000個(gè)；中度侵入病害條件下球體顆粒引入道床顆粒的數(shù)量為65 000個(gè)；輕度侵入病害條件下球體顆粒引入道床顆粒的數(shù)量為30 000個(gè)；無煤灰侵入病害條件下球體顆粒引入道床顆粒的數(shù)量為0個(gè)。

2離散元數(shù)值模擬結(jié)果

2.1三軸試驗(yàn)離散元模擬

在不同圍壓試驗(yàn)條件下進(jìn)行三軸試驗(yàn)，依照表2內(nèi)的參數(shù)設(shè)定進(jìn)行離散元數(shù)值模擬結(jié)果見表3。

由表3可知，在圍壓逐漸提升的條件下，大型三軸試驗(yàn)離散元模型的側(cè)壁應(yīng)變與垂直方向應(yīng)變也逐漸提升；圍壓的提升令道岔區(qū)域有砟道床樣本顆粒間的接觸緊密度逐漸提升，接觸緊密度與接觸力之間呈正比例相關(guān)。這一結(jié)果同相關(guān)領(lǐng)域中普遍認(rèn)可的“圍壓提升一般將造成應(yīng)力提升”這一結(jié)論相符，由此說明該模型與其中的相關(guān)參數(shù)可應(yīng)用于后續(xù)研究。

2.2有砟道床接觸力鏈分布情況的離散元模擬

由表4可知，在煤灰填充數(shù)量逐漸提升的條件下，道岔區(qū)域有砟道床樣本顆粒的煤灰入侵病害等級逐漸提升，剪切后模型的整體接觸力鏈數(shù)提升。與嚴(yán)重煤灰入侵病害等級相比，無煤灰侵入病害條件下的道床顆粒接觸力鏈數(shù)顯著下降，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是煤灰的侵入令道床顆粒間的分布更密集，同時(shí)由于煤灰的摩擦角并不大，具有一定的潤滑功能，令道床顆粒間產(chǎn)生移動(dòng)的概率提升。

2.3有砟道床不同方向的壓應(yīng)力上限分布離散元模擬

在離散元模擬過程中，通過向道床模型內(nèi)引入10 000、40 000、70 000個(gè)煤灰顆粒模擬不同煤灰入侵病害等級的道床。不同煤灰入侵病害等級下的道床應(yīng)力上限分布情況如表5所示。

由表5可知，所采集道岔區(qū)域有砟道床樣本受荷載影響下，當(dāng)所施加荷載固定時(shí)，道岔區(qū)域有砟道床的道岔直股、道岔側(cè)股與存車線處所承受壓應(yīng)力上限與道床煤灰侵入病害等級之間呈正比例相關(guān)，同時(shí)道床顆粒間的接觸力數(shù)量也顯著提升，但顆粒間接觸力降低。利用道床顆粒間的接觸力能夠間接體現(xiàn)道岔區(qū)域有砟道床在荷載傳輸過程中承受的剪切力與強(qiáng)度。在道床受到煤灰侵入病害時(shí)，道床顆粒間的接觸力有所下降，這也間接說明道床的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢。

2.4煤灰侵入病害對有砟道床剪切性能影響的離散元模擬

煤灰侵入病害等級對道床剪切性能的影響，如圖2所示。

由圖2可知，具有煤灰侵入病害的道床剪切性能受其中所包含的煤灰含量影響，煤灰含量越高，煤灰侵入病害等級越高，道床剪切性能越小。

由表6可知，煤灰侵入病害對于道岔區(qū)域有砟道床的剪切力學(xué)性能產(chǎn)生明顯的消極影響。在煤灰侵入病害等級為嚴(yán)重侵入病害的條件下，道床的剪切強(qiáng)度與無煤灰侵入病害時(shí)相比下降幅度達(dá)到33%左右。

3結(jié)語

（1）大型三軸試驗(yàn)離散元模型中圍壓的提升令道岔區(qū)域有砟道床樣本顆粒間的接觸緊密度逐漸提升，接觸緊密度與接觸力之間呈正比例相關(guān);

（2）煤灰入侵病害等級有所差異的道床樣本，其接觸力鏈數(shù)同煤灰入侵病害等級和引入的煤灰顆粒數(shù)之間呈正比例相關(guān);

（3）當(dāng)所施加荷載固定時(shí)，道岔區(qū)域有砟道床所承受壓應(yīng)力上限與道床煤灰侵入病害等級之間呈正比例相關(guān)，同時(shí)道床顆粒間的接觸力數(shù)量也顯著提升，但顆粒間接觸力降低;

（4）具有煤灰侵入病害的道床剪切性能受其中所包含的煤灰含量影響，煤灰含量越高，煤灰侵入病害等級越高，道床剪切性能越小。

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