復(fù)合土工材料提高鐵路軌道穩(wěn)定性的試驗(yàn)研究

喬雪垠QIAO Xue-yin

（河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450000）

0 引言

為了最大限度地減少?gòu)U棄道砟的積聚并降低其對(duì)環(huán)境的不良影響，可通過(guò)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(nèi)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(chǔ)上，通過(guò)使用大型三軸試驗(yàn)機(jī)，對(duì)三種不同的復(fù)合土工織物（土工織物、土工格柵和復(fù)合土工織物）進(jìn)行研究，以評(píng)估其在穩(wěn)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(cè)試道砟特性

針對(duì)當(dāng)?shù)夭墒瘓?chǎng)對(duì)新型道砟進(jìn)行了測(cè)試。廢棄的道砟經(jīng)過(guò)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(zhì)，例如軌枕碎片和粘結(jié)材料。在室內(nèi)模型中，碎石混合物層被用作道砟和路基之間的過(guò)濾層，而路基下方的覆蓋層則是由壓實(shí)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(fù)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(jīng)過(guò)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(wěn)定和路堤加固。表2 中詳細(xì)描述了土工格柵的物理和強(qiáng)度特性。

表2 所用土工格柵的物理和強(qiáng)度特性

2.2 土工布

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

表3 所用機(jī)織土工布的物理和強(qiáng)度特性

2.3 復(fù)合土工材料

采用的復(fù)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(fù)合材料。表4 詳細(xì)列示了該復(fù)合材料的物理和機(jī)械性能。

表4 所用復(fù)合土工材料的物理和強(qiáng)度特性

3 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器具備容納800mm 長(zhǎng)、600mm 寬和600mm 高樣品的能力，研究中使用的大棱鏡三軸測(cè)試臺(tái)在圖1 中展示。圖2 則呈現(xiàn)了三軸測(cè)試儀的示意圖，包括其原型設(shè)置。在實(shí)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(dòng)。為模擬循環(huán)載荷下道碴的物理特性，本研究選擇采用無(wú)約束的棱柱鉆機(jī)，為實(shí)驗(yàn)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(guò)液壓執(zhí)行器施加循環(huán)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(jiàn)圖1 和圖2）。連接稱重傳感器用于測(cè)量中間主應(yīng)力（σ2）和第二主應(yīng)力（σ3），同時(shí)利用液壓千斤頂進(jìn)行加載。兩個(gè)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(jiān)測(cè)壓載物的應(yīng)力。為了捕捉垂直應(yīng)變，每個(gè)軌枕/道床和道床/蓋板接口都配置了8 個(gè)沉降板。在計(jì)算道床密度/孔隙率時(shí)，需要考慮壓力傳感器的體積。實(shí)驗(yàn)中采用多種傳感器和監(jiān)測(cè)裝置，提供了全面的數(shù)據(jù)，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(shí)泥層，以模擬實(shí)際軌道中的路基土層。在泥質(zhì)層上方，設(shè)置了100mm 厚的礫石混合物覆蓋層，代表軌道底部的道碴。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)中觀察，我們發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)層的厚度對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響相對(duì)較小，尤其是在比較使用和不使用復(fù)合土工織物材料的不同壓載試樣的響應(yīng)時(shí)。通過(guò)在棱鏡三軸裝置中建立這樣的模型，我們成功地模擬了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的軌道基礎(chǔ)情況，為后續(xù)試驗(yàn)提供了可靠的基礎(chǔ)。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(shí)驗(yàn)中，在300mm 厚的壓實(shí)承重道碴覆蓋層上進(jìn)行了鋪設(shè)，木制軌枕和軌道段之間填充了150mm 的道碴。為了增強(qiáng)界面性能，我們?cè)趬狠d/覆蓋層交界處采用了復(fù)合土工布。此外，在道砟上方設(shè)置了兩層薄土工布，用于有效隔離各土層。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們采用了分層壓實(shí)方法，每層75mm 厚，以確保達(dá)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(dòng)錘和橡膠墊。在實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了10 次循環(huán)三軸試驗(yàn)，觀察到復(fù)合土工布在交界處顯著提高了再生道砟的性能。使用振動(dòng)錘和橡膠墊的有效應(yīng)用保持了顆粒的完整性?？偟膩?lái)說(shuō)，通過(guò)引入復(fù)合土工布、采用分層壓實(shí)和充分利用振動(dòng)錘，我們成功實(shí)現(xiàn)了再生道砟的高性能壓實(shí)。這為將道砟恢復(fù)為承重道砟提供了一種有效的方法。

3.3 試驗(yàn)程序

試樣制備完成后，通過(guò)液壓千斤頂施加小的側(cè)向壓力（2=10kPa 和3=7kPa）以模擬實(shí)際的側(cè)向約束。為了穩(wěn)定軌枕和道砟，并作為沉降和橫向移動(dòng)的參考，首先施加了10kN 的初始垂直荷載。循環(huán)垂直荷載由液壓千斤頂施加，最大荷載為73kN，產(chǎn)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(yīng)力。為模擬80km/h 列車速度下兩個(gè)車軸之間1.5m 距離，以15Hz 的頻率施加循環(huán)載荷，所選的荷載循環(huán)總數(shù)為50 萬(wàn)次。在飽和試驗(yàn)中，在施加循環(huán)荷載之前逐漸浸水，并在循環(huán)荷載期間持續(xù)加水，以保持100%的飽和度。每次試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，對(duì)道砟試樣進(jìn)行篩分，并記錄顆粒破碎率的變化。

4 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的結(jié)果和討論

圖3 顯示了有無(wú)復(fù)合土工材料穩(wěn)定下，新拌和再生道砟樣品的總沉降隨荷載循環(huán)次數(shù)的變化情況。圖3（a）和圖3（b）分別呈現(xiàn)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(guò)引入復(fù)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(guò)了新道砟。尤其值得關(guān)注的是，在濕潤(rùn)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(yùn)動(dòng)并阻止了細(xì)粒的遷移。總體而言，引入復(fù)合土工材料明顯增強(qiáng)了再生道砟的穩(wěn)定性，凸顯了其作為可重復(fù)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(yīng)變（ε1）的計(jì)算基于軌枕沉降數(shù)據(jù)和沉降板測(cè)量值，而橫向應(yīng)變（εL）的計(jì)算則綜合了垂直壁的平均橫向運(yùn)動(dòng)和試樣最初的橫向尺寸。圖4 呈現(xiàn)了在飽和和干燥條件下道砟垂直應(yīng)變隨荷載循環(huán)次數(shù)的變化，驗(yàn)證了復(fù)合土工材料在減少橫向應(yīng)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(jīng)歷初始快速變形后，其垂直應(yīng)變與荷載循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)線性關(guān)系，這與道砟和鋼筋的類型無(wú)關(guān)。圖5 則揭示了隨荷載循環(huán)次數(shù)增加時(shí)橫向應(yīng)變（εL）的變化情況。再生道砟相對(duì)于新道砟表現(xiàn)出更高的側(cè)向應(yīng)變，不過(guò)引入土工格柵有助于減少這種側(cè)向應(yīng)變。

圖4 不同試樣垂直應(yīng)變變化

5 結(jié)論

荷載循環(huán)次數(shù)的增加導(dǎo)致觀察到新鮮拌和再生道砟出現(xiàn)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(xiàn)出更高的沉降，尤其是在飽和狀態(tài)下，這種沉降表現(xiàn)得更加明顯。本研究使用了三種不同的復(fù)合土工材料，這些材料對(duì)于提升道砟的性能和穩(wěn)定性起到了積極的作用。特別是，引入土工格柵和土工布對(duì)增強(qiáng)再生道砟的穩(wěn)定性效果顯著。因此，采用這些復(fù)合土工材料有望降低在維護(hù)期內(nèi)更換道砟的必要性。