基于洛杉磯磨耗試驗和圖像分析道砟劣化研究

井國慶，郭云龍，黃紅梅，郄錄朝

(1. 北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2. 中國鐵道科學研究院，北京 100081)

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基于洛杉磯磨耗試驗和圖像分析道砟劣化研究

井國慶1，郭云龍1，黃紅梅1，郄錄朝2

(1. 北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2. 中國鐵道科學研究院，北京 100081)

通過洛杉磯磨耗試驗研究道砟劣化，基于激光三維掃描及圖形分析法，分析道砟洛杉磯試驗前后三維圖形信息，研究道砟體積、形狀、尖角和表面粗糙度等幾何特性變化，同時和磨耗試驗結果進行比較，揭示道砟劣化機理及劣化表現形式。研究結果表明：道砟劣化形式主要為尖角折斷，最大磨耗值范圍在4.0～9.0 mm，平均磨耗值在1.0 mm以內；單個道砟磨耗率隨著道砟粒徑增大而增加。研究結果對道砟標準控制、劣化評估及養護維修具有參考意義。

道砟；洛杉磯磨耗試驗；圖像分析；劣化

有砟道床在列車循環荷載作用下發生道床變形與道床劣化，后者表現形式為道砟顆粒破碎、表面粗糙度降低及尖角折斷，劣化產生小粒徑顆粒和粉末堵塞道砟之間的空隙，導致道床排水性能降低，最終失去可維修性[1-2]。道砟劣化機理及劣化道砟力學特性一直是研究熱點與難點，主要方法為力學特性試驗及數值仿真研究[2-4]。前者主要通過直剪試驗及三軸試驗，或是在試驗平臺上進行道砟劣化機理及相關特性研究，包括研究搗固維修對道砟劣化影響等[3-6]。離散單元法在有砟道床劣化機理和力學特性方面也有越來越多應用[5-8]，比如通過設置強度準則來研究道砟顆粒破碎，反映道砟外部荷載超過道砟內部允許應力時破損效應，或設置顆粒簇連接桿強度來模擬道砟顆粒初始缺陷和微裂，以及嘗試揭示道砟顆粒由尖角變為圓角、尖角折斷等[1-5]。以上試驗和數值方法對加深道砟劣化機理及特性有一定作用，但存在著一定局限性，如：試驗過程中細觀參數及過程難于測定，數值方法人為假定條件前提下，道砟顆粒破裂準則及尖角形成及折斷機制與實際具有一定差異[2,9-10]。與此同時，近年來圖形分析方法也逐漸應用到巖石力學特性分析，包括道砟，如CT、激光三維掃描技術等，不斷有學者嘗試通過圖像分析方法研究道砟形狀、表面質地、粗糙度等幾何和物理參數信息，來評估或確定道床劣化狀態，指導養護維修[10-14]。本文通過激光三維掃描及圖像分析方法，研究洛杉磯磨耗試驗前后道砟顆粒幾何、物理細觀特性變化，嘗試揭示道砟顆粒劣化表現形式，從細觀層面研究道砟劣化機理及表現形式，為進一步研究有砟道床劣化機理以及影響規律奠定基礎。

1　材料與方法

1.1洛杉磯磨耗試驗

洛杉磯磨耗試驗測定標準條件下道砟抵抗摩擦﹑撞擊能力，以質量磨耗損失(%)表示，是道砟質量標準重要衡量指標之一，各國規范進行比較詳細規定[2]。洛杉磯磨耗試驗能考慮動力沖擊作用，因此可用其進行道砟顆粒磨耗研究[11]。我國道砟洛杉磯試驗轉速為31～33 r/min，箱內填料由直徑為46.0～47.6 mm質量為390～445 g鋼球組成。本洛杉磯試驗采用道砟材質為花崗巖，需按規定制備3份樣本，試驗達到規定轉數后，篩除1.7 mm以下顆粒，求得洛杉磯磨耗率及臟污質量，測定洛杉磯磨耗率26.6%，符合一級道砟標準[15]。試驗過程前選取2種不同粒徑范圍道砟16～20 mm和25～40 mm，再從上述樣本中分別選取大粒徑和小粒徑道砟各14個，進行三維圖形掃描、稱重、測量體積、標號，然后放回原樣本一起進行洛杉磯磨耗試驗，試驗如圖1所示。

圖1　道砟洛杉磯磨耗試驗Fig.1 Los Angeles abrasion test on ballast

1.2圖形分析

圖形掃描精度對道砟劣化分析有重要影響[11,14]。為精確獲得道砟真實三維幾何數據，本文采用三維激光掃描儀Handy Scan 700TM，如圖2所示。該掃描儀發出7束交叉激光線，測量速度480 000(次/秒)，精度0.030(mm)。

圖2　掃描道砟圖Fig.2 Scanning ballast with 3D laser scanner

三維激光掃描原理為，激光束通過圖2當中白色圓盤上黑色坐標點和道砟表面點坐標相對位置確定幾何數值，采集坐標數據傳輸到電腦，同時記錄道砟表面點坐標，直接形成道砟三維圖形。在道砟相關研究中，道砟顆粒形狀、物理、幾何特性對道砟散體力學特性具有極其重要影響，尤其是離散單元法分析有效性前提和基礎條件[2-3]。道砟顆粒物理和幾何信息越接近真實道砟顆粒，越能夠真實反應道砟顆粒之間邊-角、角-角接觸以及磨耗等[2]。圖3中列舉真實道砟磨耗前后掃描三維圖，掃描獲得三維表面點云圖，由30 000個左右表面點構成，可以精確描述道砟真實表面物理和幾何狀態，用于比較和評估道砟顆粒劣化前后相關信息。

(a)真實道砟；(b)磨耗前道砟三維圖；(c)磨耗后道砟三維圖圖3　道砟顆粒掃描圖Fig.3 Ballast three-dimensional graphic

圖形分析方法主要通過以下步驟。首先選擇道砟顆粒，進行三維圖形掃描。然后進行洛杉磯磨耗試驗，從洛杉磯磨耗試驗后劣化道砟中找出試驗前對應標記道砟，掃描得到劣化后三維圖形。接下來進行單個道砟洛杉磯磨耗試驗前后幾何、物理信息對比分析，以及用圖形處理工具得到道砟體積值(磨耗率)、表面積、最大和平均磨耗深度。

道砟形狀評估采用Wadell形狀系數方法[8]，具體為計算出與道砟顆粒體積相等球形的半徑，進而可以計算出該球形表面積，形狀系數為球形表面積與道砟真實表面積的商，計算方法見公式(1)～(3)。通過軟件Geomagic Studio分析三維圖形可得到道砟體積V0和表面積S0根據上述公式計算出形狀系數ψ用于評定道砟形狀。

(1)

S=4πr2

(2)

ψ=S/S0

(3)

通過軟件Geomagic Control進行磨耗前后三維圖形比較，可得到道砟磨耗深度云圖，如圖4所示，圖中右側圖標為顏色和磨耗深度值對應關系，不同磨耗深度值可通過顏色區分，如該道砟最大磨耗深度7.7 mm(尖角位置)用深色表示，隨著顏色逐漸變淺表示磨耗深度變小，如淺色表示磨耗深度范圍在0.0～0.70 mm，由圖可以直觀比較任意道砟顆粒洛杉磯磨耗試驗前后尖角、棱角、表面部位磨耗情況。

圖4　道砟磨耗前后磨耗值云圖Fig.4 Color nephogram of abrasion depth

該軟件還可以計算出平均磨耗深度，平均磨耗深度為道砟所有掃描得到表面點磨耗深度平均值，如圖5所示。圖5(a)為道砟磨耗前、后三維圖形中同一位置截面，每個截面包含1,000左右個點，軟件可以自動計算出所有三維圖形兩點間距離，如圖5(b)，并取所有距離平均值，可定為平均磨耗深度。

(a)截面圖；(b)點與點距離圖圖5　平均磨耗深度計算方法示意圖Fig.5 Calculation method of average abrasion depth

2　結果分析

2.1總體分析

洛杉磯磨耗試驗后找出標號道砟測量其質量、體積，并通過三維軟件Geomagic Studio計算磨耗后道砟總體積，如表1所示。表1中測量得到道砟體積值比軟件分析值偏小一些，誤差為0.14%，因此三維圖形分析計算精度很高，滿足后續道砟磨耗分析。

表1　道砟顆粒體積值匯總表

不同粒徑道砟磨耗前后形狀系數對比如表2。結果表明，在初始形狀系數基本相同情況下，經洛杉磯試驗磨耗后，小粒徑道砟平均形狀系數變化5.44%，大粒徑形狀系數變化為7.26%，表明道砟粒徑越大，磨耗后道砟形狀越接近球形，道砟劣化更為嚴重，該結果與實踐具有一致性[16]。

2.2單體分析

利用軟件Geomagic Studio分析單粒道砟體積、表面積，然后利用Wadell[8]形狀系數方法計算道砟形狀系數(形狀系數值在0～1之間，越接近1形狀越接近球型)，同時根據圖形分析得到道砟洛杉磯磨耗前后體積值，計算出單個道砟磨耗損失質量，進而計算出單粒道砟磨耗率，數據見表3。結果表明：單粒道砟磨耗率在7%～16%范圍，多數集中于9%上下，部分在14%上下。而洛杉磯磨耗試驗磨耗率為26.6%，高于單個道砟磨耗率，這是因為磨耗過程中部分道砟顆粒整體發生破裂，成為較大質量損耗[11]。

表2　道砟形狀系數表

表3　磨耗前后道砟幾何形狀

2.3磨耗深度分析

單個道砟最大磨耗值主要發生在道砟尖角位置，如圖6所示，圖為14個道砟磨耗深度云圖。由圖可明確道砟不同位置磨耗深度，反應各部磨耗情況。結果表明道砟表面磨耗深度一般在1.0 mm以內。試驗過程中道砟主要磨耗形式為尖角折斷和棱角磨耗，表面粗糙度磨耗程度較小。

利用Geomagic Control分析磨耗前后道砟三維圖形，最大磨耗深度和平均磨耗深度見表4。結果表明，試驗后磨耗最大深度在4.0～9.0 mm之間，一般在5.0 mm左右，均發生在道砟尖角位置，

表4　道砟磨耗深度表

圖6　道砟磨耗云圖Fig.6 Abrasion depth by color

表明尖角最容易在動力沖擊下折斷、劣化；道砟平均磨耗深為0.4～1.3 mm，該值反映道砟顆粒表面磨耗。

為驗證平均磨耗深度是否可以用于評判道砟磨耗情況，對比14組道砟平均磨耗深度和磨耗率對應關系。由圖7可以看出平均磨耗深度和磨耗率有著一定線性關系，證明用平均磨耗深度可以用于評價和分析道砟磨耗情況。

圖7　磨耗率與平均磨耗深度對應關系Fig.7 Average abrasion depth versus LAA value

3　結論

1)洛杉磯試驗過程中尖角部分磨耗較大，最大尖角磨耗深度在4.0～9.0 mm范圍，而表面平均磨耗深度通常不會超過1.0 mm。

2)道砟粒徑越大，洛杉磯磨耗中質量損失越大，越容易劣化。

3)激光三維掃描儀及圖像分析方法可用于評估道砟顆粒劣化狀態，與強度試驗研究互補。今后可進一步對不同道砟材質、磨耗過程，結合直剪試驗等進行進一步分析，更好地指導工務作業。

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Ballast degradation analysis by los angeles abrasion test and image analysis method

JING Guoqing1, GUO Yunlong1, HUANG Hongmei1, QIE Luzhao2

(1. Civil Engineering School，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2. China Academy of Railway Sciences 100081，China)

To reveal the mechanism of ballast degradation, the Los Angeles abrasion test was conducted, and the 3D laser scanner was utilized for image index analysis before and after the test. During the test, the geometrical parameter of ballast particles were changing, including volume, shape, and abrasion loss. The outcome demonstrates that the main abrasion loss results from angularity breakage, the maximum abrasion depth is between 4-9mm, and the average abrasion depth is within 1mm. The abrasion loss increases with ballast particle size. The results are useful for ballast material standard, degradation evaluation and maintenance.

ballast; Los Angeles abrasion test; image analysis; degradation

2015-11-13

國家自然科學基金資助項目(U1234201,51578051)

井國慶(1979-)，男，河北廊坊人，副教授，博士，從事軌道工程研究；E-mail:gqjing@bjtu.edu.cn

U213.722

A

1672-7029(2016)08-1486-06