基于洛杉磯磨耗試驗(yàn)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(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2. 中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

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基于洛杉磯磨耗試驗(yàn)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(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2. 中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

通過洛杉磯磨耗試驗(yàn)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(yàn)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(shí)和磨耗試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，揭示道砟劣化機(jī)理及劣化表現(xiàn)形式。研究結(jié)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(nèi)；單個(gè)道砟磨耗率隨著道砟粒徑增大而增加。研究結(jié)果對(duì)道砟標(biāo)準(zhǔn)控制、劣化評(píng)估及養(yǎng)護(hù)維修具有參考意義。

道砟；洛杉磯磨耗試驗(yàn)；圖像分析；劣化

有砟道床在列車循環(huán)荷載作用下發(fā)生道床變形與道床劣化，后者表現(xiàn)形式為道砟顆粒破碎、表面粗糙度降低及尖角折斷，劣化產(chǎn)生小粒徑顆粒和粉末堵塞道砟之間的空隙，導(dǎo)致道床排水性能降低，最終失去可維修性[1-2]。道砟劣化機(jī)理及劣化道砟力學(xué)特性一直是研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)，主要方法為力學(xué)特性試驗(yàn)及數(shù)值仿真研究[2-4]。前者主要通過直剪試驗(yàn)及三軸試驗(yàn)，或是在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行道砟劣化機(jī)理及相關(guān)特性研究，包括研究搗固維修對(duì)道砟劣化影響等[3-6]。離散單元法在有砟道床劣化機(jī)理和力學(xué)特性方面也有越來越多應(yīng)用[5-8]，比如通過設(shè)置強(qiáng)度準(zhǔn)則來研究道砟顆粒破碎，反映道砟外部荷載超過道砟內(nèi)部允許應(yīng)力時(shí)破損效應(yīng)，或設(shè)置顆粒簇連接桿強(qiáng)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?yōu)閳A角、尖角折斷等[1-5]。以上試驗(yàn)和數(shù)值方法對(duì)加深道砟劣化機(jī)理及特性有一定作用，但存在著一定局限性，如：試驗(yàn)過程中細(xì)觀參數(shù)及過程難于測(cè)定，數(shù)值方法人為假定條件前提下，道砟顆粒破裂準(zhǔn)則及尖角形成及折斷機(jī)制與實(shí)際具有一定差異[2,9-10]。與此同時(shí)，近年來圖形分析方法也逐漸應(yīng)用到巖石力學(xué)特性分析，包括道砟，如CT、激光三維掃描技術(shù)等，不斷有學(xué)者嘗試通過圖像分析方法研究道砟形狀、表面質(zhì)地、粗糙度等幾何和物理參數(shù)信息，來評(píng)估或確定道床劣化狀態(tài)，指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)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(yàn)前后道砟顆粒幾何、物理細(xì)觀特性變化，嘗試揭示道砟顆粒劣化表現(xiàn)形式，從細(xì)觀層面研究道砟劣化機(jī)理及表現(xiàn)形式，為進(jìn)一步研究有砟道床劣化機(jī)理以及影響規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

1　材料與方法

1.1洛杉磯磨耗試驗(yàn)

洛杉磯磨耗試驗(yàn)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)條件下道砟抵抗摩擦﹑撞擊能力，以質(zhì)量磨耗損失(%)表示，是道砟質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)重要衡量指標(biāo)之一，各國規(guī)范進(jìn)行比較詳細(xì)規(guī)定[2]。洛杉磯磨耗試驗(yàn)?zāi)芸紤]動(dòng)力沖擊作用，因此可用其進(jìn)行道砟顆粒磨耗研究[11]。我國道砟洛杉磯試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為31～33 r/min，箱內(nèi)填料由直徑為46.0～47.6 mm質(zhì)量為390～445 g鋼球組成。本洛杉磯試驗(yàn)采用道砟材質(zhì)為花崗巖，需按規(guī)定制備3份樣本，試驗(yàn)達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)數(shù)后，篩除1.7 mm以下顆粒，求得洛杉磯磨耗率及臟污質(zhì)量，測(cè)定洛杉磯磨耗率26.6%，符合一級(jí)道砟標(biāo)準(zhǔn)[15]。試驗(yàn)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(gè)，進(jìn)行三維圖形掃描、稱重、測(cè)量體積、標(biāo)號(hào)，然后放回原樣本一起進(jìn)行洛杉磯磨耗試驗(yàn)，試驗(yàn)如圖1所示。

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

1.2圖形分析

圖形掃描精度對(duì)道砟劣化分析有重要影響[11,14]。為精確獲得道砟真實(shí)三維幾何數(shù)據(jù)，本文采用三維激光掃描儀Handy Scan 700TM，如圖2所示。該掃描儀發(fā)出7束交叉激光線，測(cè)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(dāng)中白色圓盤上黑色坐標(biāo)點(diǎn)和道砟表面點(diǎn)坐標(biāo)相對(duì)位置確定幾何數(shù)值，采集坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X，同時(shí)記錄道砟表面點(diǎn)坐標(biāo)，直接形成道砟三維圖形。在道砟相關(guān)研究中，道砟顆粒形狀、物理、幾何特性對(duì)道砟散體力學(xué)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(chǔ)條件[2-3]。道砟顆粒物理和幾何信息越接近真實(shí)道砟顆粒，越能夠真實(shí)反應(yīng)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(shí)道砟磨耗前后掃描三維圖，掃描獲得三維表面點(diǎn)云圖，由30 000個(gè)左右表面點(diǎn)構(gòu)成，可以精確描述道砟真實(shí)表面物理和幾何狀態(tài)，用于比較和評(píng)估道砟顆粒劣化前后相關(guān)信息。

(a)真實(shí)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(jìn)行三維圖形掃描。然后進(jìn)行洛杉磯磨耗試驗(yàn)，從洛杉磯磨耗試驗(yàn)后劣化道砟中找出試驗(yàn)前對(duì)應(yīng)標(biāo)記道砟，掃描得到劣化后三維圖形。接下來進(jìn)行單個(gè)道砟洛杉磯磨耗試驗(yàn)前后幾何、物理信息對(duì)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(píng)估采用Wadell形狀系數(shù)方法[8]，具體為計(jì)算出與道砟顆粒體積相等球形的半徑，進(jìn)而可以計(jì)算出該球形表面積，形狀系數(shù)為球形表面積與道砟真實(shí)表面積的商，計(jì)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(jù)上述公式計(jì)算出形狀系數(shù)ψ用于評(píng)定道砟形狀。

(1)

S=4πr2

(2)

ψ=S/S0

(3)

通過軟件Geomagic Control進(jìn)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(cè)圖標(biāo)為顏色和磨耗深度值對(duì)應(yīng)關(guān)系，不同磨耗深度值可通過顏色區(qū)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(yàn)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(jì)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(diǎn)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(gè)截面包含1,000左右個(gè)點(diǎn)，軟件可以自動(dòng)計(jì)算出所有三維圖形兩點(diǎn)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(diǎn)與點(diǎn)距離圖圖5　平均磨耗深度計(jì)算方法示意圖Fig.5 Calculation method of average abrasion depth

2　結(jié)果分析

2.1總體分析

洛杉磯磨耗試驗(yàn)后找出標(biāo)號(hào)道砟測(cè)量其質(zhì)量、體積，并通過三維軟件Geomagic Studio計(jì)算磨耗后道砟總體積，如表1所示。表1中測(cè)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(jì)算精度很高，滿足后續(xù)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(shù)對(duì)比如表2。結(jié)果表明，在初始形狀系數(shù)基本相同情況下，經(jīng)洛杉磯試驗(yàn)?zāi)ズ暮?，小粒徑道砟平均形狀系?shù)變化5.44%，大粒徑形狀系數(shù)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(yán)重，該結(jié)果與實(shí)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(shù)方法計(jì)算道砟形狀系數(shù)(形狀系數(shù)值在0～1之間，越接近1形狀越接近球型)，同時(shí)根據(jù)圖形分析得到道砟洛杉磯磨耗前后體積值，計(jì)算出單個(gè)道砟磨耗損失質(zhì)量，進(jìn)而計(jì)算出單粒道砟磨耗率，數(shù)據(jù)見表3。結(jié)果表明：?jiǎn)瘟５理哪ズ穆试?%～16%范圍，多數(shù)集中于9%上下，部分在14%上下。而洛杉磯磨耗試驗(yàn)?zāi)ズ穆蕿?6.6%，高于單個(gè)道砟磨耗率，這是因?yàn)槟ズ倪^程中部分道砟顆粒整體發(fā)生破裂，成為較大質(zhì)量損耗[11]。

表2　道砟形狀系數(shù)表

表3　磨耗前后道砟幾何形狀

2.3磨耗深度分析

單個(gè)道砟最大磨耗值主要發(fā)生在道砟尖角位置，如圖6所示，圖為14個(gè)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(yīng)各部磨耗情況。結(jié)果表明道砟表面磨耗深度一般在1.0 mm以內(nèi)。試驗(yàn)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(jié)果表明，試驗(yàn)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(fā)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(dòng)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(yàn)證平均磨耗深度是否可以用于評(píng)判道砟磨耗情況，對(duì)比14組道砟平均磨耗深度和磨耗率對(duì)應(yīng)關(guān)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(guān)系，證明用平均磨耗深度可以用于評(píng)價(jià)和分析道砟磨耗情況。

圖7　磨耗率與平均磨耗深度對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.7 Average abrasion depth versus LAA value

3　結(jié)論

1)洛杉磯試驗(yàn)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(huì)超過1.0 mm。

2)道砟粒徑越大，洛杉磯磨耗中質(zhì)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(píng)估道砟顆粒劣化狀態(tài)，與強(qiáng)度試驗(yàn)研究互補(bǔ)。今后可進(jìn)一步對(duì)不同道砟材質(zhì)、磨耗過程，結(jié)合直剪試驗(yàn)等進(jìn)行進(jìn)一步分析，更好地指導(dǎo)工務(wù)作業(yè)。

[1] Selig E T, Waters J M. Track geotechnology and substructure management. London [M]. Thomas Telford,1994.

[2] 井國慶.鐵路有砟道床[M]. 北京: 中國鐵道出版社，2012.

JING Guoqing. Railway ballast track[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 2012.

[3] 杜欣. 真實(shí)道砟顆粒的離散元建模及慣性特性優(yōu)化[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2014,36(2):95-102.

DU Xin. DEM modelling and inertia optimization of real ballast granules[J]. Journal of the China Railway Society,2014,36(2):95-102.

[4] SUN Yifei, Indraratna B, Nimbalkar S. Three-dimensional characterization of particle size and shape for ballast[J]. Géotechnique Letters, 2014,4(3):197-202.

[5] Okonta F N. Effect of grading category on the roundness of degraded and abraded railway quartzites[J]. Engineering Geology, 2015,193:231-242.

[6] Aursudkij B. A laboratory study of railway ballast behavior under traffic loading and tamping maintenance[D]. United Kingdom University of Nottingham, 2007.

[7] 張徐, 趙春發(fā), 翟婉明. 鐵路碎石道砟靜態(tài)壓碎行為數(shù)值模擬[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2015,50(1):137-143.

ZHANG Xu, ZHAO Chunfa, ZHAI Wanming. Numerical analysis of static crushed behavior of railway ballast[J]. Journal of Southwest Jiaotong University,2015,50(1):137-143.

[8] Wadell H. Volume, shape, and roundness of quartz particles[J]. Geology,1935,43(3):250-280.

[9] Le Pen L M, Powrie W, Zervos A. Dependence of shape on particle size for a crushed rock railway ballast[J]. Granular Matter, 2013,15(6):849-861.

[10] Tolppanen P. 3-D characterization and degradation analysis of rock aggregates[M]. Stockholm, 2001.

[11] YU Qian, Boler H, Moaveni M, Tutumluer E. Characterizing ballast degradation through Los Angeles abrasion test and image analysis[J]. Journal of the Transportation Research Board, 2014:142-151.

[12] Takashi M, Jun K, Kentaro U. 3D shape characterization and image-based DEM simulation of the lunar soil simulant FJS-1[J]. Journal of Aero-space Engineering,2009,22(1):15-23．

[13] Lanaro F, Tolppanen P. 3D characterization of coarse aggregates[J]. Engineering Geology, 2002,65:17-30.

[14] Anochie-Boateng J K, Komba J J, Mvelase G M. Three-dimensional laser scanning technique to quantify aggregate and ballast shape properties[J]. Construction and Building Materials, 2013,43:389-398.

[15] TB/T2140—2008,鐵路碎石道砟[S].

TB/T2140—2008, Railway ballast[S].[16] Noalsund R, Tutumluer E, Horvli I. Degradation of railway ballast through large scale triaxial and full Scale rail track model tests: comparison with mechanical laboratory tests[C]// Proc 10th International Conference on Bearing Capacity of Roads, Railways, and Airfields, Trondheim, Norway, 2013.

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(xué)基金資助項(xiàng)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