基于滲透性能的道床臟污評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)研究

郄錄朝，徐 旸，李 明，王 紅，王眾保

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 工電部，北京 100844)

道床的清篩周期與道床狀態(tài)參數(shù)有密切的關(guān)系，道床狀態(tài)一般以軌道的剛度、道床的密實(shí)度以及道床的臟污程度等評(píng)價(jià)。引起道床臟污的原因來(lái)自兩方面：外部原因，主要是運(yùn)輸煤、砂、石等散裝貨物的遺撒以及沿線的風(fēng)沙塵土等；內(nèi)部原因，主要是道砟的磨損粉化等。有砟軌道道床具備的彈性可以使軌道結(jié)構(gòu)的剛度匹配更為合理，當(dāng)?shù)来驳目紫侗患?xì)顆粒污染完全填滿時(shí)，就會(huì)影響道床彈性，不利于輪軌相互作用[1-2]，導(dǎo)致列車(chē)的運(yùn)行品質(zhì)下降、軌道不平順加劇等系列問(wèn)題，道床也不能發(fā)揮排水功能，軌道幾何形位保持能力變差，此時(shí)就必須進(jìn)行清篩，恢復(fù)道床功能[3]。

道床臟污程度一般通過(guò)道床臟污率進(jìn)行評(píng)價(jià)。各國(guó)道砟標(biāo)準(zhǔn)對(duì)最小粒徑均有明確的規(guī)定，小于最小粒徑的顆粒就是道床的臟污成分，這種成分的質(zhì)量與道床總重的百分比，稱為道床質(zhì)量臟污率，這種成分所占的體積與道床總體積之比，稱為道床體積臟污率。道床體積臟污率更能準(zhǔn)確反映道床臟污程度，但難以通過(guò)試驗(yàn)的手段直接測(cè)量，理論上可以通過(guò)道床密度對(duì)道床的體積臟污率進(jìn)行反算。

工程實(shí)際中，一般通過(guò)直接測(cè)試道床質(zhì)量臟污率評(píng)價(jià)道床臟污程度，而道床質(zhì)量臟污率與體積臟污率、密實(shí)度及道砟容重具有復(fù)雜的相關(guān)性，且目前該領(lǐng)域的研究也較為欠缺。文獻(xiàn)[1]的研究也表明，當(dāng)?shù)来才K污發(fā)展至一定程度，而道床孔隙未被全部填滿時(shí)，就會(huì)引起道床滲透性能急劇減弱，進(jìn)而導(dǎo)致道床力學(xué)性能下降、軌道幾何形位難以保持等一系列問(wèn)題。如不及時(shí)進(jìn)行處理，就會(huì)嚴(yán)重影響列車(chē)的運(yùn)行品質(zhì)，并為工務(wù)部門(mén)的養(yǎng)護(hù)維修帶來(lái)極大困難。

本文在分析有砟軌道道床理論最大質(zhì)量臟污率范圍的基礎(chǔ)上，進(jìn)行道床臟污率對(duì)道床滲透性能的影響研究，進(jìn)而提出基于滲透性能的道床臟污評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

1 有砟軌道道床理論最大質(zhì)量臟污率范圍

我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]對(duì)新建鐵路道床密實(shí)度進(jìn)行了統(tǒng)一的規(guī)定，但鐵路碎石道砟涵蓋巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖等眾多種類，其容重千差萬(wàn)別，對(duì)道床的初始密實(shí)度影響較大，造成了不同道砟的最大體積臟污率也不相同。為分析道砟容重對(duì)道床臟污率的影響，從全國(guó)各個(gè)采石場(chǎng)中隨機(jī)選取100組道砟進(jìn)行道砟母巖容重測(cè)試，測(cè)試方法嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2140.2—2018 《鐵路碎石道砟 第2部分：試驗(yàn)方法》[5]執(zhí)行，測(cè)試得到的100組道砟母巖樣本容重測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同巖種道砟的容重測(cè)試結(jié)果

對(duì)道砟容重進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到圖2中100組樣本的道砟容重分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖2 道砟容重分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由圖2可以看出：我國(guó)道砟的材質(zhì)容重主要在2.5～3.0 g·cm-3范圍內(nèi)分布，其平均值為2.75 g·cm-3。此次抽取的100組樣本均符合我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T2140—2008《鐵路碎石道砟》[6]中規(guī)定的道砟容重不得小于2.50 g·cm-3的要求。

道床的初始孔隙率γc，即最大體積臟污率可表示為

(1)

式中：V為道床試樣的總體積；mb為試樣中道砟顆粒的質(zhì)量；ρb為道砟材質(zhì)密度。

(2)

我國(guó)高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定道床密實(shí)度不小于1.75 g·cm-3，代入式(2)計(jì)算可知，當(dāng)?shù)理牡牟馁|(zhì)容重在2.5～3.0 g·cm-3范圍內(nèi)分布時(shí)，所對(duì)應(yīng)的道床的孔隙率約為30%～42%。即當(dāng)?shù)来部紫侗慌K污完全填滿時(shí)，其最大體積臟污率為30%～42%。道床體積臟污率fv可表示為

(3)

式中：Vf為道床中臟污的體積，Vb為道砟的體積。

但由于在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，通常難以準(zhǔn)確獲得道床的體積臟污率，而采用篩分稱重的方式獲取道床的質(zhì)量臟污率則相對(duì)更容易。因此，對(duì)道床的質(zhì)量臟污率進(jìn)行分析，道床的質(zhì)量臟污率fm可表示為

(4)

式中：mf為試樣中的臟污質(zhì)量；ρf為臟污道床的密度。

將式(3)代入式(4)可得

(5)

參照道砟容重的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，取ρb=2.75 g·cm-3。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，道床臟污材料的容重一般為1.4～1.6 g·cm-3，取ρf=1.5 g·cm-3。假定穩(wěn)定道床初始臟污率為零，且道床孔隙被完全填滿時(shí)必須進(jìn)行清篩，則道床孔隙被填滿時(shí)，不同道砟容重對(duì)應(yīng)的道床質(zhì)量臟污率為18.9%～28.3%。

2 道床臟污率對(duì)道床滲透性能的影響

隨著線路的運(yùn)營(yíng)，由外部侵入灰塵、道砟本身破碎粉化等因素所導(dǎo)致的道床臟污會(huì)逐漸沉積在道床的孔隙中，如圖3所示，從而對(duì)道床的滲透性能產(chǎn)生影響，如不及時(shí)處理，就會(huì)引發(fā)道床板結(jié)、翻漿冒泥等病害。

在該領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)學(xué)者多是對(duì)于道床臟污的評(píng)估指標(biāo)及不同臟污、級(jí)配條件下散體道床的剪切力學(xué)性能進(jìn)行研究[7-9]，但對(duì)于道床臟污率與道床滲透性能之間相關(guān)性卻鮮有涉及。而國(guó)外學(xué)者對(duì)此則進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，并主要采用達(dá)西滲流試驗(yàn)分析臟污阻塞道床孔隙從而分析道床滲透性能產(chǎn)生的影響[10-14]。但既有研究所采用的滲透儀器試驗(yàn)容器直徑一般在30 cm以下，而碎石道砟的組成中最大粒徑通常為63 mm，為避免邊界效應(yīng)，容器的邊界通常應(yīng)大于散體物料最大粒徑的7倍以上，以道砟最大粒徑63 mm計(jì)，則容器的最小直徑應(yīng)在441 mm，這是既有研究中所沒(méi)有考慮的。為彌補(bǔ)這一研究不足，本文研發(fā)了直徑50 cm滲透儀器。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。圖中Δh為水頭損失高度。

圖3 污染以后的道床

圖4 道砟滲透儀器示意圖

具體試驗(yàn)步驟如下：①對(duì)儀器底部進(jìn)行密封，以確保水流僅從底部透水孔通過(guò)；②將預(yù)定比例的污土放入滲透儀試驗(yàn)艙內(nèi)；③將預(yù)定比例的道砟顆粒放入滲透儀試驗(yàn)艙內(nèi)；④將試驗(yàn)艙密封，涂抹密封劑，注入預(yù)定高度的水并靜置24 h；⑤開(kāi)始試驗(yàn)，并采用計(jì)量器和秒表測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)流出排水孔的水的體積。

臟污材料的級(jí)配見(jiàn)表1。

針對(duì)道砟體積臟污率分別為10%，15%，20%，25%和40%的道砟制作5份樣品，并重復(fù)3次。室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)物如圖5所示。

表1 臟污材料級(jí)配

圖5 道砟滲透儀器實(shí)物圖

道床臟污的滲透系數(shù)k計(jì)算公式為

(6)

式中：Vw為滲流時(shí)間t內(nèi)從滲透儀器下部流出水的總體積；h為被測(cè)試樣高度；A為試樣斷面面積。

得到的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同臟污道床滲透系數(shù)

道床滲透系數(shù)隨臟污率的變化曲線如圖6所示。

由圖6可以看出：道床的滲透系數(shù)隨臟污率變化可以分為4個(gè)階段，當(dāng)?shù)来驳捏w積臟污率由10%增加至15%時(shí)，會(huì)引起道床滲透系數(shù)的顯著減小，由原來(lái)的0.078 cm·s-1降低至0.026 cm·s-1，但并不影響道床的滲透性能；當(dāng)?shù)来驳捏w積臟污率由15%增加至25%時(shí)，道床滲透系數(shù)的變化率逐漸減小，量值上道床的滲透率由0.019 cm·s-1降低至0.015 cm·s-1，變化幅度并不顯著；當(dāng)?shù)来驳捏w積臟污率由25%增加至35%時(shí)，道床滲透系數(shù)已降至0.01 cm·s-1以下，且文獻(xiàn)[13]認(rèn)為該值為道床嚴(yán)重阻塞時(shí)的滲透系數(shù)閾值，并會(huì)大大增加翻漿冒泥、道床板結(jié)等病害的發(fā)生概率。

圖6 道床臟污率與滲透系數(shù)關(guān)系

3 道床臟污程度評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合道床滲透系數(shù)的試驗(yàn)研究結(jié)果，將道床的臟污程度按照滲透性能分成4個(gè)等級(jí)。即當(dāng)?shù)来搀w積臟污率在0～15%范圍內(nèi)時(shí)，道床為輕度臟污，不需要清篩；當(dāng)?shù)来搀w積臟污率在15%～25%范圍內(nèi)時(shí)，道床為中度臟污，可以考慮進(jìn)行清篩；當(dāng)?shù)来驳捏w積臟污率在25%～35%時(shí)，道床為重度臟污，需要進(jìn)行清篩；當(dāng)?shù)来驳捏w積臟污率大于35%時(shí)，需要立即進(jìn)行清篩。按照滲透試驗(yàn)結(jié)果所得出的道床體積及質(zhì)量臟污率控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

文獻(xiàn)[15]認(rèn)為傳統(tǒng)概念上質(zhì)量臟污率達(dá)到30%的提法是不正確的。例如京石鐵路道床清篩4年后，其質(zhì)量臟污率為18.5%。清篩15年后道床完全板結(jié)時(shí)的質(zhì)量臟污率也僅為24.9%，本文的研究結(jié)果與文獻(xiàn)[15]的這一結(jié)論相佐證。

表3 不同臟污率道床評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論及建議

(1)道砟容重試驗(yàn)結(jié)果表明，我國(guó)道砟的容重通常在2.5～3.0 g·cm-3范圍內(nèi)分布。在理論計(jì)算或者統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，可將道砟的平均容重取為2.75 g·cm-3。

(2)道砟容重及道床密度均會(huì)對(duì)道床孔隙率的分析結(jié)果造成影響。如需要準(zhǔn)確分析道床的孔隙率，除現(xiàn)場(chǎng)獲取道床的密度之外，建議將道砟樣本寄回，測(cè)定其容重后，運(yùn)用本文所提出的式(2)進(jìn)行計(jì)算。

(3)道床的滲透系數(shù)隨臟污率變化可以分為4個(gè)階段，當(dāng)?shù)来驳捏w積臟污率由10%增加至15%時(shí)，會(huì)引起道床滲透系數(shù)的顯著減小，但并不影響道床的滲透性能；當(dāng)?shù)来驳捏w積臟污率由15%增加至25%時(shí)，道床的滲透系數(shù)的變化率逐漸減小，但變化幅度并不顯著；當(dāng)?shù)来驳捏w積臟污率由25%增加至35%時(shí)，道床滲透性能已經(jīng)較弱。當(dāng)?shù)来驳捏w積臟污率大于35%時(shí)，道床的滲透性能極低。

(4)對(duì)于清篩時(shí)機(jī)，當(dāng)?shù)来驳馁|(zhì)量臟污率≤10%時(shí)，道床為輕度臟污，不需要清篩；當(dāng)?shù)来驳馁|(zhì)量臟污率在10%～17%范圍內(nèi)時(shí)，道床為中度臟污，可以考慮進(jìn)行清篩；當(dāng)?shù)来驳馁|(zhì)量臟污率在17%～25%范圍內(nèi)變化時(shí)，道床為重度臟污，需要進(jìn)行清篩；當(dāng)?shù)来驳馁|(zhì)量臟污率大于25%時(shí)，基本可判定道床板結(jié)，需要立即進(jìn)行清篩。