搗固作業對道砟破碎傷損影響規律的試驗研究

韓宏洋 楊永平 楊軼科 楊思偉 徐旸 楊曦

1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵路昆明局集團有限公司，昆明 650000；3.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

有砟軌道的散粒體道砟顆粒會在列車的循環作用下產生不均勻的累積變形，引起線路的幾何不平順。采用大型養路機械進行起道、搗固作業是改善有砟道床幾何平順性的主要手段。通過搗固機械將剛性搗鎬插入碎石道床內，枕盒間的道砟會重新擠入整體軌枕底部，使有砟道床恢復彈性。關于搗固作業對道床力學性能的影響規律，國內外學者進行了大量研究。文獻［1］對搗固作業前后道床的力學狀態進行了分析，認為搗固作業會增大道床的共振頻率、支承剛度、道床的橫向阻力。文獻［2］通過道砟三軸試驗研究了起道、搗固作業對道床狀態的影響，發現起道及搗固作業會破壞道床內部的穩定結構，使道床出現應力松弛現象，建議道床的搗固作業越少越好。文獻［3］采用室內道砟箱試驗模擬了新建及臟污道床在搗固前后的抗累積變形能力，并認為當臟污率大于30%以后，道床彈性下降、塑性增強，搗固后循環荷載產生的道床沉降將大于搗固之前的道床沉降。文獻［4］采用道砟箱試驗研究了4種不同物理性能道砟在循環搗固作用下的力學性能，并指出道砟本身的物理性能會對搗固作用后的力學行為產生顯著的影響。文獻［5］采用離散元法將道砟顆粒進行粘接以模擬板結道床，并研究了搗固作業對板結道床性能的影響，認為板結道床應采用差異化的作業參數。文獻［6］采用室內實尺試驗與數值仿真結合的手段，研究了不同搗固作業參數對道密實度、道砟接觸力等參數的影響規律，并指出搗固引起的道砟顆粒破碎是今后研究中需要關注的問題。文獻［7］在研究搗鎬對有砟道床細觀作用機理的基礎上，提出了搗固與穩定作業合理參數的評價方法，為搗固質量的合理評估提供了方法。

實際工程中，在搗鎬的沖擊及夾持作用下，道砟顆粒會不可避免地破碎，導致道砟顆粒外形及道床級配發生變化，從而對道床的力學性能產生顯著影響。既有研究多關注搗固作業本身對道床力學性能的影響規律，而關于搗固作業對道砟破碎及道床傷損的定量化研究卻鮮有涉及。本文采用原位搗固試驗，定量分析搗固次數對道砟破碎的影響規律，并對道砟顆粒的典型破碎形式進行研究。

1 循環搗固破碎試驗

為研究搗固作業對道砟破碎的影響規律，本文設計了道砟顆粒的循環搗固破碎試驗，并在臨滄站附近的橋上新建有砟軌道線路中選取一處枕盒開展現場試驗。為便于觀察道砟的破碎情況，將該空枕盒內的道砟進行染色，如發生道砟顆粒破碎的情況，則道砟顆粒的破碎面會呈現出原有巖石的顏色，以此觀測道砟顆粒的破碎情況。在搗固破碎試驗中，該區域的道砟直接受搗鎬插搗作用，通過篩分稱重的方式記錄初始的道砟顆粒級配。試驗時對該枕盒內道砟進行搗固，每次搗固后將染色道砟全部挖出，并進行篩分和稱重。隨后回填，再進行第2次搗固，共循環6次，得到大機搗固作業次數對道砟顆粒破碎以及級配變化的影響規律。道砟現場搗固作業見圖1。

圖1 道砟現場搗固作業

道砟顆粒級配的變化過程見圖2。可見，搗固作業對道砟顆粒的外觀有顯著影響，每一次搗固作業都會造成道砟顆粒的主體和局部發生破碎，且隨搗固次數增加大顆粒道砟數量逐漸減少、小顆粒道砟數量逐漸增多，道砟表面的顏色逐漸變淺，說明搗固作業還會引起道砟顆粒的邊角磨耗、粉化。

圖2 道砟顆粒級配的變化過程

2 搗固對道砟級配的影響規律

搗固前后道砟級配曲線見圖3。可知，與初始級配曲線相比，每次搗固后的級配曲線均發生了向上的移動，表明隨著搗固次數增加，大粒徑道砟含量減少，小粒徑道砟含量增加。

圖3 搗固前后道砟級配曲線

定義搗固前后道砟的質量變化率Cb以分析搗固對每一粒級道砟顆粒破碎的影響規律，表達式為式中：b6為第6次搗固作業后，當前粒級道砟顆粒的過篩質量百分比；b0為道砟顆粒的初始過篩質量百分比。

不同粒級道砟質量變化率隨搗固次數的變化情況，見圖4。

圖4 不同粒級道砟質量變化率隨搗固次數的變化情況

由圖4可知，道砟顆粒的破碎主要分為三個階段：第Ⅰ階段（第0~2次搗固），56~63 mm粒級的道砟顆粒是發生破碎的主要來源，且主要破碎為45~56、25~35.5、16 mm以下三種粒級的道砟顆粒。第Ⅱ階段（第3~4次搗固）道床樣本中45~63 mm粒徑的道砟顆粒質量逐漸減少，并破碎為16~25、35.5~45 mm兩種粒級的道砟。第Ⅲ階段（第5~6次搗固），56~63、45~56、25~35.5 mm三種粒級的道砟顆粒質量逐漸減小，破碎為35.5~45、16~25、16 mm以下三種粒級的道砟。說明隨著搗固次數增加，道砟顆粒破碎率并非與粒徑完全成正相關關系，不同搗固次數下不同粒徑道砟的破碎率存在較大的差異，會引起道床道砟級配相比于設計級配發生較大的改變。

為反映搗固后道砟質量變化對整體級配的影響，定義道砟質量變化影響率e為式中：e0為搗固前各個粒級道砟所占的質量百分比。

搗固作業后道砟顆粒級配的變化見表1。可知，6次搗固作業對16~25、35.5~45、56~63 mm三種粒級道砟顆粒的質量百分比影響最顯著。按照TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規則》中25 mm粒級以下顆粒作為道床臟污判斷標準，經過6次搗固后，道床的質量臟污率已經由搗固前的11.1%增加為

表1 搗固作業后道砟顆粒級配的變化

18.7%。

3 道砟顆粒破碎形式

搗固作業前后道砟顆粒粒徑變化見圖5。可見，經過6次搗固作業后，道砟顆粒發生了明顯的破碎現象，大顆粒數量急劇減少。

圖5 搗固作業前后道砟顆粒粒徑變化（單位：mm）

單個道砟顆粒破碎形式的取樣分析結果表明，道砟顆粒的破碎形式主要可以分為道砟主體分離和局部掉塊兩種類型，見圖6。

圖6 道砟顆粒的破碎形式

道砟的主體分離主要是指當大粒徑道砟顆粒承受荷載大于自身承載極限時，大顆粒從中部分解為2~3塊小顆粒道砟。該過程類似于道砟顆粒生產過程中的巖石破碎過程，道砟顆粒的粒徑發生較大變化。局部掉塊主要是指道砟顆粒表面崩離掉塊形成粉末狀細料，而道砟顆粒粒徑并未發生明顯變化。這就解釋了圖4中粒徑范圍在16 mm以下、16~25 mm以及35.5~45 mm的道砟顆粒隨搗固次數增加質量變化率逐漸增大的原因。大粒徑道砟顆粒主要發生兩類破碎模式，即破碎成若干小粒徑臟污顆粒（粒徑小于25 mm）和一塊中等粒徑顆粒（粒徑在35.5~45 mm）。前者會導致道床的級配發生顯著變化，后者會造成道床的臟污率增加。

4 不同粒級道砟的搗固破碎率

為定量分析每次搗固作業下不同粒徑道砟的破碎規律，計算每次搗固作業后道床各粒級道砟顆粒質量百分比相比前一次搗固作業的質量變化率，見圖7。

圖7 搗固后各粒級道砟顆粒質量變化率

由圖7可知，前3次搗固會引起道砟顆粒質量發生顯著變化，而后3次搗固引起的道砟顆粒質量變化率基本穩定。因此，取前3次搗固后道砟顆粒質量變化率的平均值對新建道床道砟顆粒破碎率進行分析，取后3次搗固后道砟顆粒質量變化率的平均值對運營期間道砟顆粒破碎率進行分析。定義道床各粒級道砟破碎率為Cn，即

式中：n為搗固次數；pi為第i次搗固時道砟顆粒的質量變化率。

Cn為負值說明該粒級道砟顆粒破碎的質量大于上一粒級顆粒破碎所補充的質量；Cn為正值說明該粒級道砟顆粒破碎的質量小于上一粒級顆粒破碎所補充的質量，質量有所增加。新建（i=1，n=3）及運營期（i=3，n=6）道床的道砟破碎率見表2。可知，對于新建道床，56~63 mm粒級的道砟顆粒是發生破碎的主要來源，破碎率為-26.99%。而對于運營期道床，道砟顆粒破碎主要發生于25 mm粒級以上的道砟顆粒，與新建道床相比，25 mm粒級以下的道砟顆粒破損率更高。對于搗固次數較多的道床，搗固作業主要會引起細顆粒增多，道床臟污率增大。

表2 新建道床及運營期道床道砟破碎率

5 結論

1）搗固作業會引起道砟顆粒發生明顯的破碎，并由大顆粒逐漸轉化為小顆粒，進而導致道砟整體級配發生顯著變化。說明搗固作業會造成道砟顆粒明顯傷損，應在有砟道床的養護維修中予以重點關注。

2）搗固作業主要會引起單個道砟顆粒的粒徑減小以及表面掉塊。前者會導致道床的級配發生顯著變化，后者會造成道床的臟污率增加。

3）對于新建道床，56~63 mm粒級道砟顆粒是搗固作用下道砟破碎的主要來源，即搗固作業對新建有砟道床最主要的影響是導致大顆粒破碎。

4）對于運營期的道床，搗固引起的道砟顆粒破碎主要發生在25 mm粒級以上的道砟，即對于搗固次數較多的道床，搗固作業主要會引起細顆粒增多，道床臟污率增大。

搗固作業對不同服役階段有砟軌道造成的傷損形式不同，應針對不同道床狀態提出差異化的搗固作業參數，減少搗固作業對道床的傷損，延長道砟使用壽命。