粗、细粒径煤质对道砟颗粒剪切性能的影响

2022-08-29陈宪麦陈楠王日吉李赛董春敏

中南大学学报（自然科学版） 2022年7期

陈宪麦，陈楠，王日吉，李赛，董春敏

(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)

在铁路发展初期，轨道结构采用的是有砟道床，随着科技的发展和混凝土的广泛使用，无砟轨道在高速铁路建设中应用越来越多，但在重载铁路和地质条件较差地段，仍使用有砟道床。有砟道床从铁路产生起就一直存在，随着列车的运行，有砟道床的一些病害也不断显现[1]。为提高有砟道床的工作性能，充分利用道砟颗粒的承载能力，不少学者对道砟碎石进行直剪试验和离散元模拟，研究道砟颗粒在不同工况下的剪切力学响应。

井国庆等[2]对不同针片指数的道砟颗粒进行了直剪试验，以研究其对道砟剪切强度、变形及破裂情况的影响；文妮等[3]用大型直剪仪对3种级配的道砟进行了高应力一维压缩试验与直剪试验，探究了颗粒破碎程度和道砟级配对碎石强度的影响；刘洋泽鹏等[4]对新建铁路道砟进行了大型直剪试验，研究了道砟颗粒在直剪情况下的破碎情况及其变化规律；高亮等[5]通过数值仿真模拟道砟直剪试验，分析了煤灰和黄沙对道砟剪切性能的影响；张智海等[6-8]对风沙污染的有砟道床进行了多尺度研究，分析了沙粒对道床内部受力、颗粒间接触力各向异性、道床应力等性能的影响；高睿等[9-10]通过直剪试验分别探究了土工格栅对黏土污染和煤炭污染的道砟颗粒剪切性能的影响，他们发现土工格栅可以增强清洁和脏污道砟的剪切强度；NGO 等[11]将离散元模型应用于脏污道床的模型中，获取了脏污道床在单调三轴荷载作用下的运动摩擦角和体积特性以及脏污道床的微观力学特性；CHEN等[12]对煤炭污染的道砟颗粒进行了直剪试验和离散元模拟，发现道砟的剪切强度、剪胀量、剪切角均随煤粉增多而减小；李勇俊等[13]通过试验研究了煤粉和细沙2种小粒径杂质对道砟剪力的影响，发现煤粉更容易降低道砟的剪切性能。

对于以煤炭运输为主的重载铁路而言，在列车运行过程中，轮轨冲击作用、轨道不平顺、道床不均匀沉降、轨枕空吊等原因会使列车产生振动，导致运输的煤质材料下落至有砟道床中，并逐渐填充道砟颗粒间的孔隙，影响道床的服役寿命和使用性能。列车运输的煤质粒径是不同的，散落到道床上的煤质粒径也是不同的。上述文献中，脏污道砟直剪试验忽略了脏污材质粒径的影响，或仅考虑污染材料粗、细粒径级配中的一种级配进行研究。不同粒径的煤炭颗粒对道砟性能的影响必然有所不同，为探究脏污材质的粒径级配对道砟的影响，本文作者以煤炭颗粒为脏污材质，分别向道砟添加粗、细2种粒径级配的煤质集料，进行脏污道砟大型直剪试验仿真研究，分析不同脏污程度和不同级配的煤质对道砟剪切性能的影响。

1 离散元模型的建立

1.1 物理力学参数的选定

为研究脏污材料粒径级配对道砟颗粒剪切性能的影响，从微细观层面分析道砟的剪切力学属性。

对于清洁道砟，表面摩擦角取决于骨料自身的属性；对于污染的道砟，由于骨料之间存在污染介质，表面摩擦角主要取决于污染物的性质[14]，考虑到煤质的润滑作用，设置其摩擦因数小于道砟颗粒的摩擦因数。

根据文献[15-16]和大型直剪试验结果，选取离散元模型的力学参数，见表1。

表1 离散元模型的细观力学参数Table 1 Micromechanical parameters of discrete element model

1.2 粒径级配的选定

根据TB/T 2140—2008“铁路碎石道砟”[17]，铁路特级碎石道砟的粒径级配如表2所示，在标准粒径分布范围内选定碎石道砟的粒径分布。

表2 碎石道砟粒径级配Table 2 Gradation of gravel ballast particle size

参考现行规范[18-19]中的矿物粗、细粒径分布，选定的煤炭(煤粉)粗、细粒径级配见表3。

表3 脏污材料粒径级配Table 3 Gradation of dirty material particle size

当煤粉的最小粒径小于1 mm时，离散元的模拟时间特别长，为减小计算机的运行时间，最终选定细粒径级配的最小粒径为1.18 mm。

为便于对比粗、细粒径脏污材质对道砟颗粒剪切性能的影响，在规范允许的范围内使粗、细集料的过筛质量分数相同。本文所选用的各种粒径级配如图1所示。

图1 模型所用的粒径级配曲线Fig.1 Particle size grading curves used in model

1.3 脏污评定指标的选定

徐旸等[20]对道砟脏污评定指标进行了总结，并提出脏污百分比指数PFI(percentage fouling index)作为评定指标，但该指标只适用于粒径小于9.5 mm 的脏污材料，对于较大粒径的煤炭颗粒不适用。因此，本文采用孔隙脏污指数IVCI[21]作为道砟脏污程度的判断指标，其计算式如下：

式中：nf和nb分别为脏污材料和道砟颗粒的孔隙率；ρf和ρb分别为煤质与道砟的干密度；Mf与Mb分别为煤质和道砟颗粒的干燥质量。

1.4 直剪试验初始模型

参考既有的大型直剪试验和文献[22-23]，选用长×宽×高为400 mm×400 mm×400 mm 的剪切箱，示意图如图2所示。其中，上、下剪切箱高度均为200 mm。

图2 剪切箱示意图Fig.2 Diagram of shear box

根据图2，建立简化的大型直剪箱模型，采用wall单元和clump刚体单元分别模拟剪切箱和道砟颗粒。采用离散元法建立的道砟直剪试验初始模型如图3所示。

图3 大型直剪试验初始模型Fig.3 Initial model of large-scale direct shear test

2 清洁道砟直剪试验模拟

2.1 初始模型

为使离散元仿真与试验更接近，采用伺服控制方法使下剪切箱以恒定的速度向右移动，直至位移达到80 mm；同时，对上剪切箱的顶板施加恒定的法向荷载，研究道砟颗粒在20，50和100 kPa这3 种不同法向荷载作用下的剪切性能。剪切前、后的模型见图4。

图4 直剪试验前、后模型Fig.4 Models before and after direct shear test

2.2 模拟结果

根据既有的直剪试验结果[15-16]，采用离散元法模拟剪切应力应变和剪胀曲线，如图5所示。

图5 清洁道砟的大型直剪试验曲线Fig.5 Large-scale direct shear test curves of clean ballast

由图5可知：清洁道砟直剪试验的离散元仿真与试验结果变化趋势类似，数值也接近，可以认为该模型是可靠的。道砟的剪切应力随剪切应变的增大先增加，后趋于稳定；在剪切过程中，剪切箱顶部所施加的法向荷载越大，道砟的剪切应力越大，20 kPa 的法向应力使道砟产生约100 kPa的剪切应力，50 kPa 的法向应力产生约150 kPa 的剪切应力，100 kPa的法向应力产生约250 kPa的道砟剪切应力(本文的道砟采用刚体模拟，尚不考虑颗粒的破碎情况)。

在剪切模拟试验中，道砟颗粒在应力较小的工况下(20 kPa和50 kPa)，未出现压缩现象(或体积压缩不明显)而仅出现剪胀现象；在较大的法向应力下(100 kPa)，由于颗粒所受的法向荷载较大，其在剪切初始阶段产生了体积压缩，而后随剪切的进行，颗粒的剪胀力比法向荷载大，导致道砟出现向上运动的剪胀现象。

3 脏污道砟直剪试验模拟

3.1 初始模型

将选定的粗、细粒径级配的煤质集料添加到清洁道砟中，分别对脏污指数IVCI为20%，30%和40%的道砟进行直剪试验模拟，研究粗、细粒径级配的煤质对道砟剪切特性的影响。

图6 所示为清洁道砟、IVCI为30%粗粒径煤炭污染的道砟和IVCI为30%细粒径煤粉污染的道砟在100 kPa 法向荷载作用下的初始模型。为便于观察内部的煤质材料分布，图6中的道砟颗粒均以透视形式显示。

图6 3种工况下的道砟初始模型Fig.6 Initial model of ballast with three working conditions

3.2 模拟结果

通过对不同脏污程度的道砟颗粒进行直剪试验模拟，得到的仿真结果与试验结果[15-16]对比如图7所示。

由图5和图7可发现：脏污道砟与清洁道砟的应力-应变曲线与剪胀曲线变化趋势类似，仿真结果与试验结果类似，可认为所选定的力学参数和离散元模型是可行的。

采用测量球对剪切箱内一定区域的道砟颗粒应力进行监测和记录，由于道砟集料属于散粒体，离散性较大，所以，在直剪试验仿真过程中，道砟颗粒的应力会随剪切应变增大而出现比较明显的波动，但整体变化趋势与试验结果变化趋势类似；而通过监测记录顶部加载墙体的竖向移动情况来反映道砟集料随剪切应变的剪胀情况，其受颗粒离散性影响的波动较小，所以，剪胀曲线较平滑。

由图7可知：在3种法向荷载作用下，粗粒径煤炭污染的道砟剪切应力均比对应荷载下细粒径煤粉污染的道砟剪切应力大。粗粒径煤炭污染的道砟颗粒在法向荷载作用下，体积压缩不明显，主要出现剪胀现象；细粒径煤粉污染的道砟在3种法向荷载作用下均出现了体积压缩现象，这说明细粒径煤粉降低了颗粒间的相互作用力，使颗粒间的剪切力在初始阶段低于法向荷载，而在法向荷载作用下出现了体积压缩现象。

图7 脏污道砟的大型直剪试验曲线Fig.7 Large-scale direct shear test curves of fouled ballast

试验结果只能从宏观上得到道砟颗粒的剪切特性，而离散元法则能从微细观层面解释出现这种现象的原因。

图8 所示为清洁道砟、IVCI为30%煤炭污染的道砟、IVCI为30%煤粉污染的道砟在100 kPa 法向荷载作用下，直剪试验模拟后的接触力分布图。图中箭头表示接触力的方向，颜色深浅代表接触力大小，疏密程度代表接触力链的数量。

从图8可知：在3种工况下，道砟颗粒的最大接触力主要分布在下剪切箱左下角—上剪切箱右上角的连线附近，尤其是清洁道砟，这种分布现象最明显。与细粒径煤粉污染的道砟接触力分布图相比，粗粒径煤炭污染的道砟接触力分布在下箱左下角—上箱右上角连线附近较小范围内，存在较大值。

图8 道砟直剪试验后的接触力分布Fig.8 Contact force distribution after direct shear test of ballast

产生这种现象的原因是：在剪切过程中，随剪切进行，下箱左下角—上箱右上角对角线逐渐被压缩，导致该对角线附近的道砟颗粒受到的荷载不断增加，而其运动又受到限制，只能通过该对角线及其附近的颗粒进行力的传递和分散；对于脏污道砟而言，存在的煤质集料可以承担一部分荷载传递，所以，较大接触力的范围以下箱左下角—上箱右上角为中心线，随煤质集料增多，分布变广。在相同污染程度下，脏污材料的粒径越小，所添加的数量越多，能传递荷载的数量也越多，较大接触力的分布范围也越大，最终导致道砟颗粒间的最大接触力也越小。

图9～11 所示分别为不同工况的道砟颗粒配位数、顶部加载板的垂向位移、道砟剪切应力与法向加载力之间的关系。

由图9可得：离散元模拟的直剪试验后，清洁道砟的配位数最大，粗集料煤炭污染的道砟配位数次之，细集料煤粉污染的道砟配位数最小，接近0；随法向加载力增大，不同工况下的道砟颗粒之间更加密实，配位数也更大。与脏污材质的粒径级配相比，同种粒径级配下的脏污程度对道砟颗粒间的配位数影响较小，但随道砟脏污程度增大，颗粒间的配位数仍会有较低程度的减小。

图9 不同工况下的道砟颗粒配位数Fig.9 Coordination number of ballast particles with different working conditions

配位数代表了道砟颗粒之间的接触数目，脏污材料填充在道砟的空隙中，减少了颗粒间的接触，导致其配位数降低。脏污材料的粒径越小，所添加的数量越多，所能填充的空隙也越多，使颗粒在细粒径煤粉污染情况下几乎处于悬空状态，导致颗粒间的作用力主要取决于煤粉的力学属性，大大降低了道砟颗粒的承载能力，这也是煤粉污染的道砟均出现体积压缩现象的原因。

为探究粗、细粒径级配的脏污材质在不同脏污程度、不同法向荷载作用下对道砟沉降特性的影响，图10 所示为离散元模型在不同工况下的仿真结果。

从图10 可知：在各种工况下，剪切后的剪切箱顶部墙体垂向位移随法向荷载增大而减小，反映了道砟体积膨胀量随法向加载力增大而减小的趋势。只有当颗粒间的剪胀力能够抵抗法向荷载时，道砟颗粒才可以向上移动呈现剪胀现象。法向加载力越大，颗粒所要抵抗的荷载越大，导致其最终的体积膨胀量越小。

图10 不同工况下的顶部墙体垂向位移Fig.10 Vertical displacement of the top wall with different working conditions

对脏污道砟而言，道砟膨胀量越大，说明其颗粒间的相互作用力与剪胀力越大，道砟的剪切性能也越强。道砟体积膨胀量随污染程度增加而减小，煤炭污染的道砟体积膨胀量均比煤粉污染的体积膨胀量大，这反映了细粒径煤粉污染会使颗粒间的相互作用力降低，从而导致道砟的力学性能下降。在不同脏污程度下，粗粒径脏污材质的污染程度对道砟颗粒的剪胀位移影响较小；而煤粉污染的道砟集料剪胀量随污染程度的增大呈明显的下降趋势。

图11所示为不同工况下的道砟颗粒剪切应力，反映了道砟颗粒的剪切应力随法向荷载的变化规律。从图11 可知：剪切箱的法向加载力越大，道砟颗粒间产生的剪切应力越大；在相同污染介质下，道砟间剪切应力随脏污程度增大而减小；在不同脏污程度下，细粒径煤粉污染的道砟集料剪切应力均比粗粒径煤炭污染的道砟剪切应力小。这说明脏污材质的粒径级配越小，道砟颗粒的剪切性能越低。与煤炭相比，煤粉对道砟集料产生的不利影响更大，所以，在实际应用中，应当及时对道床进行清洁，减少煤粉等细小粒径颗粒对道床的侵入量，提高道床的服役性能。