復合土工材料提高鐵路軌道穩定性的試驗研究

喬雪垠QIAO Xue-yin

（河南建筑職業技術學院，鄭州 450000）

0 引言

為了最大限度地減少廢棄道砟的積聚并降低其對環境的不良影響，可通過清潔、篩選、再利用（回收）的方式，并將其重新用于軌道。本文研究了在室內模擬傾斜荷載情況下，再生道砟的變形和退化特性。在這一基礎上，通過使用大型三軸試驗機，對三種不同的復合土工織物（土工織物、土工格柵和復合土工織物）進行研究，以評估其在穩定再生道砟、減少軌道沉降和抑制顆粒降解方面的潛在效果[1-5]。

1 測試道砟特性

針對當地采石場對新型道砟進行了測試。廢棄的道砟經過回收工廠的搜集、清潔和篩選，可重新用于軌道。檢查顯示，約90%的再生道砟是由半角礫石（即降解道砟）組成，其余10%則包括半圓河礫石和其他雜質，例如軌枕碎片和粘結材料。在室內模型中，碎石混合物層被用作道砟和路基之間的過濾層，而路基下方的覆蓋層則是由壓實的粘土層代表。具體所用的壓載物和整理材料的粒度分布可參考表1。

表1 所用道砟和封頂材料的粒度特征

2 復合土工材料性能

2.1 土工格柵

研究中采用的土工格柵是由聚丙烯制成的，經過雙向壓縮和雙向取向以提高其抗拉性能。這種土工格柵通常用于土壤穩定和路堤加固。表2 中詳細描述了土工格柵的物理和強度特性。

表2 所用土工格柵的物理和強度特性

2.2 土工布

選用的土工布為高強度機織土工布，其抗拉強度大約為80kN/m。表3 中詳細列舉了該機織土工布的物理和強度性能。

表3 所用機織土工布的物理和強度特性

2.3 復合土工材料

采用的復合土工材料是由土工格柵和非織造土工織物組成的，形成土工格柵-土工織物復合材料。表4 詳細列示了該復合材料的物理和機械性能。

表4 所用復合土工材料的物理和強度特性

3 室內試驗

3.1 實驗儀器

實驗儀器具備容納800mm 長、600mm 寬和600mm 高樣品的能力，研究中使用的大棱鏡三軸測試臺在圖1 中展示。圖2 則呈現了三軸測試儀的示意圖，包括其原型設置。在實際軌道中，由路基、道床和路肩提供的橫向約束并不足以有效限制道碴的橫向移動。為模擬循環載荷下道碴的物理特性，本研究選擇采用無約束的棱柱鉆機，為實驗提供了良好的模擬條件。

圖1 大型三軸儀

圖2 大型三軸儀布置示意圖

通過液壓執行器施加循環垂直載荷（σ1）至道碴，采用直徑為100mm 的鋼閘門和軌道/軌枕裝置（詳見圖1 和圖2）。連接稱重傳感器用于測量中間主應力（σ2）和第二主應力（σ3），同時利用液壓千斤頂進行加載。兩個壓力傳感器（尺寸為150mm×150mm×22mm）被布置在軌枕下方和壓載物/蓋板接口上，以監測壓載物的應力。為了捕捉垂直應變，每個軌枕/道床和道床/蓋板接口都配置了8 個沉降板。在計算道床密度/孔隙率時，需要考慮壓力傳感器的體積。實驗中采用多種傳感器和監測裝置，提供了全面的數據，可用于深入研究道碴、軌道/軌枕裝置以及壓載物之間的相互作用。

3.2 樣品制備

在棱鏡三軸裝置中，建立了包含四層路基和道床的模型。底部覆蓋了50mm 厚的壓實泥層，以模擬實際軌道中的路基土層。在泥質層上方，設置了100mm 厚的礫石混合物覆蓋層，代表軌道底部的道碴。通過在實驗中觀察，我們發現泥質層的厚度對于測試結果的影響相對較小，尤其是在比較使用和不使用復合土工織物材料的不同壓載試樣的響應時。通過在棱鏡三軸裝置中建立這樣的模型，我們成功地模擬了實驗室環境下的軌道基礎情況，為后續試驗提供了可靠的基礎。這為深入研究軌道工程性能提供了有力的工具和方法。

在實驗中，在300mm 厚的壓實承重道碴覆蓋層上進行了鋪設，木制軌枕和軌道段之間填充了150mm 的道碴。為了增強界面性能，我們在壓載/覆蓋層交界處采用了復合土工布。此外，在道砟上方設置了兩層薄土工布，用于有效隔離各土層。在整個實驗過程中，我們采用了分層壓實方法，每層75mm 厚，以確保達到原位密度。為了最大程度地減少顆粒破碎，我們使用了振動錘和橡膠墊。在實驗的初期，道床和覆蓋層的初始堆積密度分別為15.3 千牛/立方米和21.3 千牛/立方米，而道床的初始孔隙度為0.74。我們進行了10 次循環三軸試驗，觀察到復合土工布在交界處顯著提高了再生道砟的性能。使用振動錘和橡膠墊的有效應用保持了顆粒的完整性。總的來說，通過引入復合土工布、采用分層壓實和充分利用振動錘，我們成功實現了再生道砟的高性能壓實。這為將道砟恢復為承重道砟提供了一種有效的方法。

3.3 試驗程序

試樣制備完成后，通過液壓千斤頂施加小的側向壓力（2=10kPa 和3=7kPa）以模擬實際的側向約束。為了穩定軌枕和道砟，并作為沉降和橫向移動的參考，首先施加了10kN 的初始垂直荷載。循環垂直荷載由液壓千斤頂施加，最大荷載為73kN，產生與典型交通荷載（軸載25 噸）相同的軌枕-道砟界面的平均接觸應力。為模擬80km/h 列車速度下兩個車軸之間1.5m 距離，以15Hz 的頻率施加循環載荷，所選的荷載循環總數為50 萬次。在飽和試驗中，在施加循環荷載之前逐漸浸水，并在循環荷載期間持續加水，以保持100%的飽和度。每次試驗結束時，對道砟試樣進行篩分，并記錄顆粒破碎率的變化。

4 實驗室測試的結果和討論

圖3 顯示了有無復合土工材料穩定下，新拌和再生道砟樣品的總沉降隨荷載循環次數的變化情況。圖3（a）和圖3（b）分別呈現了飽和和干燥試樣的沉降情況。觀察圖表明，新道砟的沉降較小，而未加筋的再生道砟沉降較大。通過引入復合土工材料，再生道砟的抗沉降性得到提高，其效果甚至超過了新道砟。尤其值得關注的是，在濕潤的再生道砟中使用土工布可以顯著減少沉降，并提供了額外的加固，限制了顆粒運動并阻止了細粒的遷移。總體而言，引入復合土工材料明顯增強了再生道砟的穩定性，凸顯了其作為可重復使用軌道材料的潛力。

圖3 不同試樣沉降變化

道砟試樣中，垂直應變（ε1）的計算基于軌枕沉降數據和沉降板測量值，而橫向應變（εL）的計算則綜合了垂直壁的平均橫向運動和試樣最初的橫向尺寸。圖4 呈現了在飽和和干燥條件下道砟垂直應變隨荷載循環次數的變化，驗證了復合土工材料在減少橫向應變（εL）方面的有效性。值得注意的是，圖4 清晰展示了在道砟經歷初始快速變形后，其垂直應變與荷載循環次數呈現線性關系，這與道砟和鋼筋的類型無關。圖5 則揭示了隨荷載循環次數增加時橫向應變（εL）的變化情況。再生道砟相對于新道砟表現出更高的側向應變，不過引入土工格柵有助于減少這種側向應變。

圖4 不同試樣垂直應變變化

5 結論

荷載循環次數的增加導致觀察到新鮮拌和再生道砟出現了非線性的變形情況。在相同的荷載和邊界條件下，再生道砟呈現出更高的沉降，尤其是在飽和狀態下，這種沉降表現得更加明顯。本研究使用了三種不同的復合土工材料，這些材料對于提升道砟的性能和穩定性起到了積極的作用。特別是，引入土工格柵和土工布對增強再生道砟的穩定性效果顯著。因此，采用這些復合土工材料有望降低在維護期內更換道砟的必要性。