重载铁路道砟旋转压实特性及参数优化试验研究

王萌，肖源杰, 2，卢小永，畅振兴，陈晓斌, 2，古牧，叶新宇

重载铁路道砟旋转压实特性及参数优化试验研究

王萌1，肖源杰1, 2，卢小永4，畅振兴1，陈晓斌1, 2，古牧3，叶新宇1

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 重载铁路工程结构教育部重点实验室，湖南 长沙 410075；3. 中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；4. 大秦铁路股份有限公司 科学技术研究所，山西 太原 030013)

级配较为均匀的道砟颗粒的压实质量对重载铁路道床的服役性能起着至关重要的作用。然而，目前尚无统一的标准或规范可用于指导和控制道砟材料的室内外压实质量。针对道砟的室内压实特性，在重载铁路特级道砟规范级配范围内选取3种不同的代表性级配以及其他3种不同堆积类型的级配碎石级配，分别在不同的含水率和压力水平下开展室内击实和旋转压实试验，评价不同级配、含水率、旋转压实压力和旋转次数等因素对道砟材料压实效果和特性的影响。研究结果表明：旋转压实过程可分为初始压密、旋转压密和稳定3个阶段，级配类型对于旋转压实阶段划分的影响较大，粗颗粒含量越多旋转压密阶段越长；缩放道砟级配的最优旋转压实参数为：含水率1.5%，压强800 kPa和旋转压实61次；旋转压实压强的增大和粗颗粒含量的增多均会导致试样颗粒破碎率增大。研究成果可为重载铁路道砟材料的密实和现场捣固作业提供参考。

旋转压实；缩放道砟；压实特性

重载铁路有砟道床质量的好坏直接影响其稳定性、安全性、舒适性和耐久性，而影响有砟道床质量的因素很多，诸如道砟的类型、级配和压实度等[1−3]。其中道砟的压实程度与有砟道床的服役性能有着较为密切的关系，故有必要开展有砟道床道砟层压实机理和压实方法打的研究，进而为重载铁路有砟道床的捣固作业密实机理和作业方式提供技术参考。在重载铁路运营过程中，最严重的问题之一便是道床的沉降变形，而引起道床沉降变形的重要因素之一便是道砟颗粒破碎所引发的变形破坏[4−5]。因此，国内外学者纷纷采取相应措施力求最大限度地减少道砟颗粒破碎量。Lobo-Guerrero 等[6]建立可破碎道砟的道床整体模型，研究道床的累积沉降与道砟破碎的关系。徐旸等[7]从细观角度揭示了道砟颗粒破碎对散体道床性能的影响规律。在有砟道床施工和养护维修作业过程中，捣固密实作业引起的道砟破碎占道砟破碎总量的20%左 右[8]。因此，研究压实过程中道砟颗粒的破碎情况尤为重要。近年来，国内外对于击实和压实试验及其机理等已进行了一系列的研究，主要集中于重锤击实法和振动击实法的对比试验、压实度的影响因素和压实性能的宏观评价指标等几个方面[9−11]。也有不少国内外学者开始借鉴沥青混合料的旋转压实方法，就水泥稳定碎石材料展开了旋转压实的系统性研究[12]。祝凤丹等[13]通过旋转压实成型试样，结果表明试样的干密度、含水率和7 d无侧限抗压强度随着压实次数和水泥含量的增加而增加。李立寒等[14]探讨了旋转压实成型过程中水泥稳定碎石混合料组成设计的可行性，结果表明，影响水泥稳定碎石性能的因素中成型方法是关键，旋转成型方法具有最佳的物理和力学性能。铁路道砟作为一种典型的散体粗颗粒材料，现场通常采用捣固的方式进行密实作业。捣固作业过程中大小各异的道砟相互之间由静摩擦转变为动摩擦，道砟颗粒开始重新排列并互相错位靠近；同时，道砟颗粒受到瞬时力的作用出现部分破碎，破碎的小颗粒填充道砟空隙，道砟颗粒继而彼此朝着新的稳定堆积状态发生相对运动；在捣固机具的夹持和振动联合作用下(如图1)[15]，小粒径道砟和破碎的道砟颗粒填充道砟空隙，使道砟整体排列紧密，孔隙率减小[16−18]。而常见的室内压实方法(例如静压击实和振动击实等)都只能在竖向力的作用下使得颗粒之间不断挤压、破碎，但旋转压实法通过竖向荷载提供竖向压缩的同时利用一定的旋转角实现侧向旋转调整(如图2)[19]，颗粒之间能够产生更好的错位和相对运动进而重新排列直至达到新的稳定堆积状态，能更好地模拟有砟道床现场捣固作业情况，然而目前对于散粒体材料尚无具体的旋转压实参数可以参照，需通过一系列的室内外压实试验来探究最优参数组合。旋转压实的非材料性参数有：旋转角、竖直压力、旋转速率和压实次数，这些参数均会对压实过程以及实验结果产生一定的影响[20]。本文通过设计不同的道砟级配类型并对原始级配进行缩放以适应常规击实和旋转压实试样尺寸要求，分别对缩放道砟与其他3种常见堆积类型的级配碎石堆积试样进行击实和旋转压实，对比这2种不同压实方式压实效果的差异，并寻找旋转压实最优参数组合。同时研究旋转压实过程中试样级配的变化，探索旋转压实对于缩放道砟的适用性和操作规程。研究结论可为有砟道床道砟现场捣固密实作业提供理论依据和技术参考。

图1 2种典型的捣固运动模式

图2 旋转压实原理示意图

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验所用的碎石材料为I级破碎花岗岩，最大粒径为35 mm，取自长沙县矿区，质地坚硬、致密且棱角分明，其相关物理参数符合《重载铁路设计规范》(2017)[21]对道砟性质的规定。由于铁路中常用的特级道砟颗粒粒径范围为22.4~63 mm，其最大粒径的5倍超出了室内常规压实设备模具的尺寸，因此本文采用WANG等[22]提出的缩放原理，将22.4～63 mm粒径范围的设计道砟级配缩放为粒径范围为0.075~31.5 mm的级配碎石级配(“缩放道砟”)，具体的缩放公式如下：

式中：b为道砟的实际颗粒粒径；m为道砟缩放的颗粒粒径。

按照式(1)计算，将原始道砟和缩放道砟的粒径范围代入：

最终计算得到A的值为1.29。将原设计道砟级配曲线与缩放道砟级配曲线一同绘制在图3中，可以明显看出2条级配曲线具有很高的相似度。

为进一步分析级配类型对压实度的影响，除缩放道砟级配之外，还设计了其他3种不同的级配类型进行对比试验，即悬浮密实型、骨架密实型和骨架空隙型，其级配曲线如图4所示。

上述4种不同的级配类型其颗粒堆积结构示意图见图5，可以明显地看出：悬浮密实型堆积结构的细颗粒填充于粗颗粒之间，由于细颗粒过多，粗颗粒不能紧挨，因此没有形成力链传递骨架；而骨架密实型堆积结构中粗颗粒互相接触和咬合嵌挤形成传力骨架，且空隙由细颗粒完全填充；对于骨架空隙填充结构，粗颗粒之间形成了传力骨架，但由于细颗粒较少，粗颗粒组分包裹的空隙不能很好地被细颗粒组分填充。很显然，本文所采用的道砟级配和缩放后的碎石级配介于骨架空隙与骨架密实填料结构之间。

图4 4种不同级配类型对比图

(a) 悬浮密实；(b) 骨架密实；(c) 骨架空隙；(d) 缩放道砟

1.2 试验方案

1.2.1 筛分试验

为分析旋转压实过程中颗粒的破碎程度，在进行旋转压实成型试样后立即脱模，并将脱模后的试样进行烘干称重，对烘干后的试样进行二次筛分。

1.2.2 重型击实试验

不同级配类型的试样首先采用中国铁路工程土工试验规程(2010)[23]中的重型击实标准进行击实试验。每次击实称取3.0 kg混合料，试模直径为100 mm，高度为80 mm；试样分3层进行击实，每层重锤下落次数为94次。每组击实试验包含2个平行试验，其击实后的干密度和含水率值取2个平行试验数据的平均值

1.2.3 旋转压实试验

试样的旋转压实成型采用GYXY-150B型旋转压实仪，可实时获取压实过程中试样的高度。采用旋转压实方法确定4种不同级配类型试样的压实参数(即最佳含水率和最大干密度)以及不同旋转次数下试样干密度−含水率关系曲线。

SHRP推荐采用竖向压力600 kPa，旋转角1.16°和旋转速度30 r/min设计沥青稳定碎石柔性基层，此时室内设计材料与实际情况接近[24]。本文在旋转压实曲线特征和已有研究结论的基础之上，对不同试样均采用以下压实参数：压实次数200次、旋转角1.16°和旋转速度30 r/min；旋转压实试样直径为150 mm，每次试验前称取碎石混合料4.0 kg，试验设计含水率与击实试验的设计含水率一致。旋转压实后试样的侧视图与俯视图示例如图6所示。

(a) 试样的侧视图；(b) 试样的俯视图

与击实试验相同，对旋转压实试验数据进行处理，绘制重型击实与800 kPa下旋转压实所对应的含水率−干密度曲线图，获得重型击实与800 kPa旋转压实条件下4种不同级配类型材料的最优含水率和最大干密度，结果如图7所示；4种不同级配类型在击实和旋转压实下的最佳含水率及最优干密度的对比结果如表1所示。

通过对比4种不同级配类型在击实和旋转压实的干密度−含水率曲线图，可以明显看出4种不同级配类型的碎石试样击实后的最大干密度值从高到低依次为：骨架密实型级配、道砟缩放级配、悬浮密实型级配和骨架空隙型级配。这与陈坚等[25]得到的“骨架密实型结构是级配碎石的最佳结构状态”这一结论是相符的，也间接验证了本室内击实试验的操作和数据分析结果的合理性；对于4种不同级配类型的级配碎石，其在旋转压实下的最大干密度均大于重锤击实下的最大干密度，表明旋转压实相对于击实能实现更大的压实度。

图7 重锤击实与800 kPa下旋转压实曲线

表1 4种不同级配类型在击实和旋转压实下的最佳含水率和最大干密度对比结果

通过表1可知，击实试验得到的最佳含水率值普遍比旋转压实试验得到的最佳含水率小0.2%~ 0.3%，这是由于在击实试验中试模密封性欠佳，导致击实过程中水分流失较为明显，此外重锤下落也会引发粗颗粒破碎现象；相比之下，旋转压实试验中水分流失相对较少，压实过程中粗颗粒的破碎情况也相对较少，水分大部分被集料所保留，使得压实后最大干密度所对应的最佳含水率值偏大，颗粒之间的接触更加紧密，提高了试样的干密度。

1.2.4 正交试验

为探究缩放级配道砟的最优参数组合(即含水率、压强、级配的最优组合)，设计了3种缩放道砟级配(如图3)、6种含水率和3种压强，本文采用正交试验的方法来探究缩放级配道砟的最优参数组合。旋转压实仪参数选取与上述试验一致。

由于本次试验设计的因素数有3个，因素水平数分别有3，6和3个，因此需要设计混合水平正交表来进行方案设计。根据混合水平正交表设计的原则，设计了如表2所示的试验方案。

图8 3种不同的缩放道砟级配曲线设计方案

表2 正交试验设计方案

注：A为含水率，有6个不同的水平，1为1.2%，2为1.5%，3为2.0%，4为2.5%，5为3.0%，6为3.0%；B为压强，有3个不同的水平，1为400 kPa，2为600 kPa，3为800 kPa；C为级配，有3个不同的水平，级配曲线如图8所示。

2 试验结果与分析

2.1 最优含水率下试样实时高度与干密度变化

通过旋转压实仪显示屏幕可以实时观察到试样高度随旋转压实次数的变化曲线图。为更加直观和准确地表征试样高度和干密度的实时变化，分别绘制了4种不同级配类型试样在其最优含水率下的实时高度和实时干密度变化图(图9)。

图9 800 kPa旋转压力和最优含水率下不同级配类型试样干密度/高度随旋转次数的变化趋势

由图9可以看出：1) 当压强为800 kPa时，随着旋转次数的增加，4种不同级配类型试样在其对应的最优含水率下，试样高度不断下降，而试样高度下降速率逐渐降低；2) 随着压实次数的增加，试样的实时干密度值不断增加，试样呈现出逐渐被压密的状态；3) 在不同旋转压实次数下，试样干密度最大值所对应的级配有所变化，而骨架密实型级配试样的最终干密度值(即旋转次数为200次时)最大。

2.2 旋转压实阶段划分

ZHANG等[26]将沥青混合料的旋转压实过程分为了3个阶段和3个节点，3个节点分别对应初始旋转次数、设计旋转次数和最终旋转次数；第2阶段介于初始旋转次数与设计旋转次数之间，第3阶段介于设计旋转次数与最终旋转次数之间。

对于本文中不同级配类型试样的旋转压实过程，根据其高度变化曲线也可清晰地观察到上述3个不同阶段。

图10分别给出了缩放道砟级配试样在压强为700，800，900和1 000 kPa下旋转压实高度变化率曲线图，可见4种不同压强水平下的旋转压实高度变化率曲线都呈现出较为明显的阶段性。将高度变化率大于1 mm/次视为第1阶段，介于0～0.1 mm/次之间为第2阶段，稳定在0.1 mm/次为第3阶段。与此类似，进而根据悬浮密实型、骨架密实型、骨架空隙型级配试样在不同压强下的旋实转压高度变化率划分出不同的压实阶段，结果汇总于表3。

图10 不同旋转压力下缩放道砟级配试样高度变化率随旋转压实次数的变化趋势

表3 4种不同类型级配试样在不同压强下旋转压实阶段划分结果

通过对比不同压强下4种不同级配类型试样压实阶段划分结果，可以看出压强对于试样旋转过程的分阶段节点影响较小，且随着压强的增大，第2阶段分界点所对应的旋转次数越来越小，表明压强越大，压实速度越快。因此，不考虑压强对于阶段分界点的影响，取不同压强的分阶段点旋转次数的平均值，汇总到表4。

表4 不同级配类型试样旋转压实不同阶段分界点及干密度结果

在不考虑压强的情况下，不同级配类型对于碎石混合料旋转过程中分阶段节点的影响较大，其中第1阶段分界点随着粗集料的增多而减小，第2阶段分界点随着粗集料的增多而增多。因此，随着粗集料的增多，整个压实曲线的第2阶段延长，主要原因是第1阶段为颗粒自密实阶段，粗颗粒的增加造成了空隙率的增大，使试样越容易达到自密实；而第2阶段随着粗颗粒的增多，颗粒通过不断的位置调整而实现紧密接触和稳定的咬合嵌挤状态的难度也逐渐加大，此外颗粒的破碎率也可能增大，使得粗颗粒破碎为细颗粒，为进一步的压实提供了新的细颗粒材料。当旋转次数达到第2阶段时，试样的干密度已经与重锤击实的干密度相比偏大，已经达到了相对较高的干密度，而相对于200次旋转压实对应的干密度，已经达到了93%左右的压实度。

2.3 旋转压实性能对比

通过对试样的旋转压实过程进行阶段划分，第1阶段为自密实阶段(sta−ini)，该阶段主要是颗粒在自身重力的作用下不断压密，这里不做研究；第2阶段为旋转压密阶段(ini−des)，这一阶段主要是由于旋转压实提供的竖向压力和侧向剪力的作用，使得试样进一步压实，是旋转压实的核心阶段；第3阶段为稳定压密阶段(des−sto)，该阶段已经是高度压密后的稳定阶段，对压实度的影响很小，因此本文也不做具体研究。

针对旋转压密阶段(ini−des)，这里采用文献[26]中针对沥青混合料提出的1指标，1是指旋转压实次数与压实度对数图的曲线斜率，具体定义如下：

式中：1为旋转压实次数与压实度对数图的曲线斜率；ini为第1阶段分界点；des为第2阶段分界点；%mm@ini为第1阶段分界点所对应的压实度；%mm@des­­为第2阶段分界点所对应的压实度，其中压实度所指的是相对于200次旋转压实所对应的压实度(即旋转200次对应的压实度为100%)。本文重点研究的是缩放道砟级配试样的压实效果。

700，800，900和1 000 kPa下缩放道砟级配试样1的值计算如式(4)~(7)所示。

通过计算可以得出，在压强为800 kPa时，1值最大，此时试样的旋转压实性能最好。若选取不考虑压强水平差异时缩放道砟级配试样的阶段分界点，计算结果如下：

该结果仍表明，当压强为800 kPa时，1值最大，此时缩放道砟级配试样的旋转压实性能最好。

从图12可以得出：1) 4种不同的级配类型试样(即悬浮密实型级配、骨架密实型级配、骨架空隙型级配和缩放道砟级配)都表现出800 kPa下的压实性能更好；2) 骨架空隙型级配试样的压实性能最差；3) 骨架密实型级配试样在2种不同的压强水平下都表现出很好的压实效果，这与之前击实试验所得到的结论是一致的。

图12 不同旋转压实压强下K1值计算结果对比

图13 悬浮密实型与骨架密实型级配试样K1值计算结果对比

通过1值的统计可以看出：1) 从压实度表征的性能角度来看，不同的级配类型对应着不同的最优压强水平，悬浮密实型级配试样在500~800 kPa范围内的最优压强为500 kPa；骨架密实型级配试样在500~800 kPa范围内的最优压强为600 kPa；骨架空隙型级配试样在700~1 000 kPa范围内的最优压强为800 kPa；缩放道砟级配试样在700~1 000 kPa范围内的最优压强为800 kPa；2) 从压实度变化率具体数值来看，骨架密实型级配试样在600 kPa压强下计算出的1值最大，这与前面所得结论保持一致。

图14 骨架空隙型与道砟缩放级配试样K1值计算结果对比

2.4 最优参数组合确定

正交试验中评价极差是其中一项重要的评价指标，值越大，证明对应的因素越重要；若空列对应的值较大，则可能漏掉了某些重要因素或者是设计的因素之间存在着某种互相影响关系，可进一步验证试验设计的合理性。具体定义如下。

(极差)：在任一列上，

这里，K为表示任一列上水平号为时，所对应的试验结果之和；k为k=K/，其中为任一列上各水平出现的次数。

通过一系列旋转压实试验干密度这一压实指标获得了如表5所示的正交试验结果表。

由表5可以看出：1) 干密度最大的参数组合为A2B3C3，即含水率为1.5%的设计缩放道砟级配3在压强为800 kPa下进行旋转压实。2) 从极差R的数值可以看出，级配对于压实度的影响最大，压强次之、含水率的影响最小。

计算最优组合所对应的压实高度变化率以及压实度，并绘制其高度变化率以及压实度变化曲线图(图15)，寻找分界点确定出3个压实阶段的范围。

表5 正交试验结果表

从高度变化率曲线图中可以得出：初始旋转次数为10次、设计旋转次数为61次、最终旋转次数为200次；即自密实阶段为0～10次、旋转压密阶段为10～61次、稳定阶段为61～200次。

图15 最优旋转压实参数组合下试样高度变化率及压实度随旋转次数变化趋势

根据最优组合压实度曲线图，计算压实性能参数1：

这一值相对较大，这也证明了正交试验设计的合理性，所选出的最优组合(即含水率为1.5%的设计缩放道砟级配3在压强为800 kPa下进行旋转压实)是较优的。

因此，对于缩放道砟级配试样旋转压实的最优组合是含水率为1.5%的级配3在压强为800 kPa下进行旋转压实，其设计旋转压实次数应为61次。

2.5 颗粒破碎规律

2.5.1 旋转压实前后试样级配变化情况

将旋转压实后的试样烘干后进行二次筛分，得到压实前后试样的级配变化曲线。图16为800 kPa时悬浮密实、骨架密实、骨架空隙和缩放道砟级配试样在其对应的最优含水率下压实前后级配曲线对比图，可以明显地看出旋转压实前后试样级配的变化。

从图16可以看出：1) 旋转压实成型后4种不同类型级配试样在各粒径筛孔的通过率大多呈增大趋势，部分粒径筛孔的通过率减小，这或许是由于细颗粒紧密黏结在一起使得振筛机的作用不足以使细颗粒完全分离；2) 骨架空隙、缩放道砟、骨架密实和悬浮密实这4种不同类型级配试样的粗颗粒含量依次下降，级配变化的程度也依次减小，说明粗颗粒相比细颗粒更容易产生破碎从而导致级配变化。

图16 4种不同类型级配试样旋转压实前后的级配变化

2.5.2 旋转压实颗粒破碎率分析

为定量分析旋转压实前后试样的颗粒破碎率，采用被广泛用于衡量颗粒破碎率的B值，其概念是由Bobby[27]定义，具体的公式如下所示：

式中：B为相对破碎指标；B为压实前的破碎概率，即压实前由过筛率为100%所在的水平线、0.075 mm粒径所在的竖直线以及压实前的级配曲线围成的曲线图的面积；B为压实后的破碎概率，即压实后由过筛率为100%所在的水平线、0.075 mm粒径所在的竖直线以及压实后的级配曲线围成的曲线图的面积(图17)。

图18是根据计算出的破碎率B值绘制的对比图，可以看出：1) 压强的增大将会导致颗粒破碎率的增加；2) 骨架空隙型级配试样的破碎率最大，道砟缩放、骨架密实型、悬浮密实型级配试样的颗粒破碎率依次降低，说明粗颗粒含量越多，颗粒破碎率越大。

图17 级配曲线围成的曲线图面积

图18 4种不同类型级配试样在不同旋转压实压强下的Br值计算结果

3 结论

1) 对旋转压实过程进行划分，发现压强对于4种不同类型级配试样旋转压实过程的分阶段节点影响较小，而级配类型对试样旋转压实过程中的分阶段节点的影响较大；其中第1阶段分界点随着粗集料的增多而减小，第2阶段分界点随着粗集料的增多而增大，粗颗粒含量越多旋转压密阶段越长。

2) 通过正交试验，对比干密度及1，得出缩放道砟级配的最优旋转压实参数为：含水率为1.5%，级配曲线为类型3，压强为800 kPa和旋转压实次数为61次。

3) 对比不同级配、不同压强下的颗粒破碎情况，证明旋转压实压强的增大和粗颗粒含量的增多均会导致试样颗粒破碎率增大。

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Laboratory investigation of gyratory compaction characteristics and optimal parameters for heavy haul railroad ballasts

WANG Meng1, XIAO Yuanjie1, 2, LU Xiaoyong4, CHANG Zhenxing1, CHEN Xiaobin1, 2, GU Mu3, YE Xinyu1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. MOE Key Laboratory of Engineering Structures of Heavy Haul Railway, Changsha 410075, China;3. Railway Engineering Research Institute, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China;4. Science & Technology Research Institute, Daqin Railway Co., Ltd., Taiyuan 030013, China)

The quality of compaction of large-sized ballast particles with uniform gradation plays a vital role in trackbed performance of heavy-haul railroads; however, there are currently no unanimously-accepted techniques or quality control criteria available for ensuring adequate compaction of railroad ballasts in either laboratory experiments or field practices. The typical ballast gradations commonly used in heavy-haul railroads in China were adopted and scaled with different packing structures introduced for comparison. All specimens with varying levels of gradation, moisture content, gyratory pressure, and number of gyrations were prepared and subjected to impact and gyratory compaction tests, respectively. The results showed that the compaction process can be divided into initial compaction stage, transition stage, and stabilization stage, wherein the gradation has a relatively significant influence on the transition points of different compaction stages. The higher the content of coarse particles, the longer the transition compaction stage. The optimal gyratory compaction parameters for scaled ballast gradation are: water content is 1.5%, pressure is 800kPa and the number of gyrations is 61. The increase in both gyratory pressure level and the relative content of coarse particles leads to increasing particle breakage. The laboratory testing results could provide technical insights and guidance to field tamping operations of ballasts in heavy-haul railroads.

laboratory gyratory compaction; scaled ballasts; compaction characteristics

TU239.4

A

1672 − 7029(2020)10 − 2503 − 13

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20200526

2020−06−11

中国铁道科学研究院科技研究开发计划重大课题资助项目(2019YJ026)；国家重点研发计划资助项目(2017YFB1201204)；国家自然科学基金资助项目(U1734208，U1934209，51878673，51808577)；湖南省自然科学基金资助项目(2018JJ3658)；大秦铁路股份有限公司重载技术升级专项计划资助项目(A2019G03)

肖源杰(1984−)，男，湖南衡阳人，副教授，博士，从事铁路路基工程研究；E−mail：yjxiao@csu.edu.cn

(编辑 蒋学东)