复合土工材料提高铁路轨道稳定性的试验研究

乔雪垠QIAO Xue-yin

（河南建筑职业技术学院，郑州 450000）

0 引言

为了最大限度地减少废弃道砟的积聚并降低其对环境的不良影响，可通过清洁、筛选、再利用（回收）的方式，并将其重新用于轨道。本文研究了在室内模拟倾斜荷载情况下，再生道砟的变形和退化特性。在这一基础上，通过使用大型三轴试验机，对三种不同的复合土工织物（土工织物、土工格栅和复合土工织物）进行研究，以评估其在稳定再生道砟、减少轨道沉降和抑制颗粒降解方面的潜在效果[1-5]。

1 测试道砟特性

针对当地采石场对新型道砟进行了测试。废弃的道砟经过回收工厂的搜集、清洁和筛选，可重新用于轨道。检查显示，约90%的再生道砟是由半角砾石（即降解道砟）组成，其余10%则包括半圆河砾石和其他杂质，例如轨枕碎片和粘结材料。在室内模型中，碎石混合物层被用作道砟和路基之间的过滤层，而路基下方的覆盖层则是由压实的粘土层代表。具体所用的压载物和整理材料的粒度分布可参考表1。

表1 所用道砟和封顶材料的粒度特征

2 复合土工材料性能

2.1 土工格栅

研究中采用的土工格栅是由聚丙烯制成的，经过双向压缩和双向取向以提高其抗拉性能。这种土工格栅通常用于土壤稳定和路堤加固。表2 中详细描述了土工格栅的物理和强度特性。

表2 所用土工格栅的物理和强度特性

2.2 土工布

选用的土工布为高强度机织土工布，其抗拉强度大约为80kN/m。表3 中详细列举了该机织土工布的物理和强度性能。

表3 所用机织土工布的物理和强度特性

2.3 复合土工材料

采用的复合土工材料是由土工格栅和非织造土工织物组成的，形成土工格栅-土工织物复合材料。表4 详细列示了该复合材料的物理和机械性能。

表4 所用复合土工材料的物理和强度特性

3 室内试验

3.1 实验仪器

实验仪器具备容纳800mm 长、600mm 宽和600mm 高样品的能力，研究中使用的大棱镜三轴测试台在图1 中展示。图2 则呈现了三轴测试仪的示意图，包括其原型设置。在实际轨道中，由路基、道床和路肩提供的横向约束并不足以有效限制道碴的横向移动。为模拟循环载荷下道碴的物理特性，本研究选择采用无约束的棱柱钻机，为实验提供了良好的模拟条件。

图1 大型三轴仪

图2 大型三轴仪布置示意图

通过液压执行器施加循环垂直载荷（σ1）至道碴，采用直径为100mm 的钢闸门和轨道/轨枕装置（详见图1 和图2）。连接称重传感器用于测量中间主应力（σ2）和第二主应力（σ3），同时利用液压千斤顶进行加载。两个压力传感器（尺寸为150mm×150mm×22mm）被布置在轨枕下方和压载物/盖板接口上，以监测压载物的应力。为了捕捉垂直应变，每个轨枕/道床和道床/盖板接口都配置了8 个沉降板。在计算道床密度/孔隙率时，需要考虑压力传感器的体积。实验中采用多种传感器和监测装置，提供了全面的数据，可用于深入研究道碴、轨道/轨枕装置以及压载物之间的相互作用。

3.2 样品制备

在棱镜三轴装置中，建立了包含四层路基和道床的模型。底部覆盖了50mm 厚的压实泥层，以模拟实际轨道中的路基土层。在泥质层上方，设置了100mm 厚的砾石混合物覆盖层，代表轨道底部的道碴。通过在实验中观察，我们发现泥质层的厚度对于测试结果的影响相对较小，尤其是在比较使用和不使用复合土工织物材料的不同压载试样的响应时。通过在棱镜三轴装置中建立这样的模型，我们成功地模拟了实验室环境下的轨道基础情况，为后续试验提供了可靠的基础。这为深入研究轨道工程性能提供了有力的工具和方法。

在实验中，在300mm 厚的压实承重道碴覆盖层上进行了铺设，木制轨枕和轨道段之间填充了150mm 的道碴。为了增强界面性能，我们在压载/覆盖层交界处采用了复合土工布。此外，在道砟上方设置了两层薄土工布，用于有效隔离各土层。在整个实验过程中，我们采用了分层压实方法，每层75mm 厚，以确保达到原位密度。为了最大程度地减少颗粒破碎，我们使用了振动锤和橡胶垫。在实验的初期，道床和覆盖层的初始堆积密度分别为15.3 千牛/立方米和21.3 千牛/立方米，而道床的初始孔隙度为0.74。我们进行了10 次循环三轴试验，观察到复合土工布在交界处显著提高了再生道砟的性能。使用振动锤和橡胶垫的有效应用保持了颗粒的完整性。总的来说，通过引入复合土工布、采用分层压实和充分利用振动锤，我们成功实现了再生道砟的高性能压实。这为将道砟恢复为承重道砟提供了一种有效的方法。

3.3 试验程序

试样制备完成后，通过液压千斤顶施加小的侧向压力（2=10kPa 和3=7kPa）以模拟实际的侧向约束。为了稳定轨枕和道砟，并作为沉降和横向移动的参考，首先施加了10kN 的初始垂直荷载。循环垂直荷载由液压千斤顶施加，最大荷载为73kN，产生与典型交通荷载（轴载25 吨）相同的轨枕-道砟界面的平均接触应力。为模拟80km/h 列车速度下两个车轴之间1.5m 距离，以15Hz 的频率施加循环载荷，所选的荷载循环总数为50 万次。在饱和试验中，在施加循环荷载之前逐渐浸水，并在循环荷载期间持续加水，以保持100%的饱和度。每次试验结束时，对道砟试样进行筛分，并记录颗粒破碎率的变化。

4 实验室测试的结果和讨论

图3 显示了有无复合土工材料稳定下，新拌和再生道砟样品的总沉降随荷载循环次数的变化情况。图3（a）和图3（b）分别呈现了饱和和干燥试样的沉降情况。观察图表明，新道砟的沉降较小，而未加筋的再生道砟沉降较大。通过引入复合土工材料，再生道砟的抗沉降性得到提高，其效果甚至超过了新道砟。尤其值得关注的是，在湿润的再生道砟中使用土工布可以显著减少沉降，并提供了额外的加固，限制了颗粒运动并阻止了细粒的迁移。总体而言，引入复合土工材料明显增强了再生道砟的稳定性，凸显了其作为可重复使用轨道材料的潜力。

图3 不同试样沉降变化

道砟试样中，垂直应变（ε1）的计算基于轨枕沉降数据和沉降板测量值，而横向应变（εL）的计算则综合了垂直壁的平均横向运动和试样最初的横向尺寸。图4 呈现了在饱和和干燥条件下道砟垂直应变随荷载循环次数的变化，验证了复合土工材料在减少横向应变（εL）方面的有效性。值得注意的是，图4 清晰展示了在道砟经历初始快速变形后，其垂直应变与荷载循环次数呈现线性关系，这与道砟和钢筋的类型无关。图5 则揭示了随荷载循环次数增加时横向应变（εL）的变化情况。再生道砟相对于新道砟表现出更高的侧向应变，不过引入土工格栅有助于减少这种侧向应变。

图4 不同试样垂直应变变化

5 结论

荷载循环次数的增加导致观察到新鲜拌和再生道砟出现了非线性的变形情况。在相同的荷载和边界条件下，再生道砟呈现出更高的沉降，尤其是在饱和状态下，这种沉降表现得更加明显。本研究使用了三种不同的复合土工材料，这些材料对于提升道砟的性能和稳定性起到了积极的作用。特别是，引入土工格栅和土工布对增强再生道砟的稳定性效果显著。因此，采用这些复合土工材料有望降低在维护期内更换道砟的必要性。