常建梅，李 騰，李曉慧，鄧曉琳，馮懷平

(1.石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國家重點實驗室，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，河北 石家莊 0540043；3.中鐵三局集團(tuán)有限公司勘測設(shè)計分公司，山西 太原 030013)

雖然我國無砟軌道形式的高速鐵路近年來發(fā)展迅速,但有砟軌道仍然是最主要的軌道形式。據(jù)統(tǒng)計,截至2022年末,我國鐵路營業(yè)總里程15.5萬km,其中有砟軌道里程超過11萬km。有砟軌道結(jié)構(gòu)由道床、軌枕、鋼軌等構(gòu)成,道床是其主要部分,承受和傳遞列車動荷載的同時起到排水、吸能等作用。道床主要由一定級配的碎石道砟組成,在列車動荷載作用下,道砟顆粒不斷發(fā)生破碎,引起道床服役狀態(tài)不斷下降,需要消耗大量養(yǎng)護(hù)維修工作和費用,并隨著列車速度及載重的提高不斷加劇。

為延長道砟的服役壽命,降低道床維修費用,加固改良道砟是一項重要舉措。目前改良思路主要有土工格柵固定、膠結(jié)道砟、加入膠墊等。土工格柵方法可以增加道床穩(wěn)定性和承載能力[1],然而布設(shè)了土工格柵的道床不方便進(jìn)行機(jī)械養(yǎng)護(hù)操作。膠結(jié)道砟形成膠結(jié)結(jié)構(gòu),可以限制道砟間相對移動和轉(zhuǎn)動,減少軌道沉降和道砟破碎[2],然而膠結(jié)道砟會降低道床的排水功能。膠墊能夠增大與道砟的接觸面積,因而可以減小接觸應(yīng)力,降低道床沉降和道砟破碎程度[3],但實踐表明其初期效果明顯,后期適應(yīng)性較差,限制了其大規(guī)模推廣應(yīng)用,目前僅有少數(shù)工程現(xiàn)場應(yīng)用。

近年來,將廢舊輪胎處理引入交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展思路越來越受到各國政府的重視。廢舊輪胎橡膠顆粒(Tire-Derived Aggregate,TDA)改良道砟方法,目前已逐漸成為研究熱點之一[4-10]。Sol-Snchez等[6]通過道砟箱模擬有砟軌道結(jié)構(gòu),在道砟層中摻加8～22.4 mm TDA顆粒,試驗研究了循環(huán)加載下不同TDA體積百分比混合集料的力學(xué)特征。Fathali等[7]混合級配相同的道砟和TDA,試驗分析研究了不同含量TDA對集料強度、變形、破碎等性能的影響。Esmaeili等[8]為研究TDA對沙漠地區(qū)沙污染道砟的改良作用,開展道砟箱試驗分析不同TDA及沙質(zhì)量配比對試樣沉降、道砟破碎及阻尼比的影響。Gong等[9]通過直剪單元試驗,研究了道砟層中摻加TDA對其剪切應(yīng)力、剪脹效應(yīng)、黏聚力及內(nèi)摩擦角的影響。相關(guān)研究均發(fā)現(xiàn)混合TDA顆粒具有有效降低道砟破碎的作用。

TDA改良方法不僅利用橡膠材料性能改良道床,而且可以緩解廢舊輪胎的環(huán)境污染問題,造價低廉又不影響施工,因此具有良好的應(yīng)用前景。然而已有相關(guān)研究還非常不足,對TDA作用機(jī)理的研究還非常缺乏?，F(xiàn)有研究結(jié)論還存在不統(tǒng)一情況。例如有研究發(fā)現(xiàn)添加TDA后累積沉降增大[8,10],也有研究發(fā)現(xiàn)累積變形減少[7]。因此,需要投入更多的研究工作,以促進(jìn)這項新方法的推廣應(yīng)用。

本文采用GCTS大型三軸儀,基于我國新建一級道砟級配及統(tǒng)一擊實功方法制備試樣,采用兩種尺寸TDA顆粒及不同摻量混合集料開展循環(huán)荷載單元試驗。分析TDA顆粒大小及添加比例對集料動力學(xué)性能的影響,同時,通過能量原理分析初步探索TDA的作用機(jī)理。

1 試驗方案

試驗用道砟材質(zhì)為硅砂巖,密度2 650 kg/m3。道砟級配為新建鐵路用一級道砟級配,滿足規(guī)范TB/T 2140—2018《鐵路碎石道砟》[11]的要求,級配曲線見圖1。試驗所用的TDA利用閘刀切割廢舊輪胎橡膠形成近似立方體顆粒。參考已有研究[12-13],粒徑超過8 mm的TDA不會對道床滲透產(chǎn)生影響,粒徑超過25 mm的TDA對降低道砟破碎作用效果不明顯。本文分別采用邊長范圍為8～16、16～25 mm 的兩組TDA顆粒開展試驗,為敘述方便,后續(xù)將8～16 mm組簡稱為小粒徑TDA,16～25 mm組簡稱為大粒徑TDA。顆粒尺寸在各自范圍內(nèi)均勻分布,見圖2。經(jīng)委托機(jī)構(gòu)測試所得廢舊輪胎橡膠材料參數(shù)見表1。

表1 廢舊輪胎橡膠材料檢測參數(shù)

圖1 道砟顆粒級配曲線

圖2 TDA顆粒

設(shè)計4種TDA體積比進(jìn)行添加混合。TDA體積比摻量RC定義為TDA體積與試樣固體顆?？傮w積的比值,計算式為

( 1 )

式中:VT、VB分別為試樣中TDA體積、道砟顆粒體積。

根據(jù)式( 1 ),按照RC分別為5%、10%、15%和20%進(jìn)行計算,并根據(jù)道砟和TDA密度分別換算成相應(yīng)質(zhì)量后稱取道砟及TDA、混合攪拌均勻。為對比分析,制備無添加的0%試樣統(tǒng)一開展試驗。大型動三軸儀為GCTS STX-600,試樣直徑為300 mm、高為600 mm圓柱樣。所有試樣均分4層壓實制備,每層夯實150次(擊實錘25 kg)。0%試樣密度為1 600 kg/m3,符合TB 10413—2018《鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》[14],試樣參數(shù)見表2和表3。

表2 8～16 mm TDA不同摻量下三軸試樣參數(shù)

表3 16～25 mm TDA不同摻量下三軸試樣參數(shù)

文獻(xiàn)[15-16]研究發(fā)現(xiàn),道床圍壓位于30～60 kPa區(qū)間,因此試驗采用50 kPa圍壓,荷載采用正弦波。我國重載鐵路主要運營車型為C80,考慮運行速度一般在100 km/h以內(nèi),加載頻率f設(shè)置為2.5 Hz?？紤]軸重有25、27、30 t三種情況,設(shè)置最小偏應(yīng)力qmin=50 kPa,最大偏應(yīng)力qmax=250 kPa,循環(huán)加載10萬次[6,17]。

2 動力特性分析

2.1 累積變形

試樣累積軸向塑性應(yīng)變隨加載次數(shù)發(fā)展曲線見圖3。為不改變數(shù)據(jù)間關(guān)系的情況下縮小橫軸數(shù)值,圖3中,橫軸為循環(huán)次數(shù)N的自然對數(shù)lnN(下同)。Qi等[18]的試驗研究發(fā)現(xiàn),在動荷載作用下道砟材料的永久變形行為存在塑性安定、塑性安定和棘輪行為、塑性破壞3種類型。

圖3 累積軸向塑性應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系曲線

從圖3(a)可以看出,小粒徑TDA下,隨著循環(huán)次數(shù)增加,在加載初期,RC為5%、10%和15%的試樣累積軸向塑性應(yīng)變增長較快,約1 000次循環(huán)后累計塑性變形增長速度逐漸降低,累計塑性應(yīng)變?nèi)岳^續(xù)增長,試樣處于塑性安定和棘輪行為狀態(tài)。從圖3(b)可以看出,大粒徑TDA下,RC為5%、10%和15%試樣累計軸向應(yīng)變發(fā)展特征與0%相同,隨循環(huán)次數(shù)增加,軸向塑性變形增加速度不斷降低,累積應(yīng)變達(dá)到一定數(shù)值后穩(wěn)定不變,試樣處于塑性安定狀態(tài)。兩種尺寸TDA添加下,RC=20%的試樣均由于變形發(fā)展過快,在較少循環(huán)后就已達(dá)破壞應(yīng)變值,試樣為塑性破壞狀態(tài)(后續(xù)分析中對20%情況不再重點考慮)。兩種尺寸TDA同比例下累積軸向應(yīng)變相比較,小粒徑大于大粒徑。此外,小粒徑TDA下混合集料出現(xiàn)棘輪行為,而大粒徑TDA的混合集料均處于塑性安定行為。文獻(xiàn)[6]通過試驗也發(fā)現(xiàn)隨著TDA摻量增加,累積沉降增大,所得規(guī)律與本文研究結(jié)果一致,但其試驗所得具體沉降量與本實驗結(jié)果不一致。分析原因主要與試驗加載條件以及制樣過程等有關(guān)。本文采用單元三軸試驗,集料為統(tǒng)一擊實功方法制作單元體,文獻(xiàn)[6]開展的是道砟箱試驗,根據(jù)孔隙比制備試樣。

從累積軸向應(yīng)變曲線可見,集料變形主要發(fā)生在加載初期階段?；旌系腡DA越多,這一階段所需時間越長,累積變形量越大,這與相同擊實功制樣下不同TDA摻量集料的初始密實程度不同有關(guān),與顆粒間咬合傳力作用及運動狀態(tài)也有密切關(guān)系。

2.2 動彈性模量

動彈性模量Ed是工程設(shè)計中的重要參數(shù),其表達(dá)式為

( 2 )

式中:qmax、qmin為滯回圈最大和最小偏應(yīng)力值;εmax、εmin分別為最大和最小偏應(yīng)力對應(yīng)的軸應(yīng)變值。

Ed的計算示意見圖4。圖4中,AL為滯回圈ABCDA所包含的面積;AS′為ΔACF的面積。

圖4 計算示意

混合集料動彈性模量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線見圖5。由于循環(huán)40次后,偏應(yīng)力才達(dá)到目標(biāo)值。

圖5 動彈性模量隨循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系曲線

由圖5(a)可知,與RC=0%試樣相比,摻加小粒徑TDA時動彈性模量發(fā)展過程出現(xiàn)不同程度的波動現(xiàn)象。RC=5%時動彈性模量隨循環(huán)次數(shù)增加而增加。RC=10%時動彈性模量上下波動明顯,動彈性模量隨循環(huán)次數(shù)增加略有降低。RC=15%時動彈性模量隨循環(huán)次數(shù)增加首先降低,然后在約1 000次后基本保持在130 MPa左右不變。RC=20%時,經(jīng)過約100次循環(huán)加載,混合集料逐漸密實,但動彈性模量隨循環(huán)次數(shù)增加急劇降低,達(dá)到破壞應(yīng)變時動彈性模量數(shù)值基本處于100 MPa以下。隨RC增加,混合集料最終動彈性模量降低。由圖5(b)可知,摻入大粒徑TDA時,試樣(5%、10%,15%)動彈性模量隨循環(huán)次數(shù)增加而增加,并且發(fā)展過程較小粒徑TDA添加時穩(wěn)定。RC=10%時混合集料的動彈性模量增長速度較快。按照試驗結(jié)束時動彈性模量由大到小順序依次為:10%、5%、0%、15%,即先增加后減小。摻入大粒徑TDA且RC=20%時,動彈性模量較其他摻量顯著較低。

將試樣10萬次循環(huán)下滯回曲線平移至原點進(jìn)行比較,見圖6。由圖6可知,添加8～16 mm粒徑TDA的試樣,隨RC增加滯回曲線傾倒程度減小,表明試樣發(fā)生更多的彈性變形。添加16～25 mm粒徑TDA的試樣,隨RC增加滯回曲線斜率相差不大,RC在15%～20%之間的變化比較大。兩種粒徑的TDA顆粒在RC=20%添加下,都表現(xiàn)出較大的彈性變形。

圖6 滯回曲線變化特征

TDA和道砟顆粒力學(xué)性能相差較大,TDA顆粒大小和數(shù)量都影響著集料的整體剛度。當(dāng)TDA顆粒大小及數(shù)量合理時,對道砟顆粒形成受力骨架的承載影響不大。TDA顆粒較小、較少時,不能充分填充孔隙,混合集料的傳力機(jī)制將受到影響,造成剛度不穩(wěn)定或下降,或產(chǎn)生較大的變形。TDA顆粒較大、較多時也將影響道砟顆粒數(shù)量和承載骨架構(gòu)成。TDA顆粒數(shù)量增多,道砟顆粒數(shù)會相對減少,道砟顆粒之間接觸減少,TDA與道砟間的接觸增加。TDA顆粒的大小與數(shù)量具有耦合影響作用。當(dāng)顆粒大小及比例合理時,TDA顆粒填充在道砟空隙中時不影響受力骨架,同時可以起到緩沖傳力作用。當(dāng)TDA比例過大時,道砟顆粒的受力骨架難以有效形成,TDA可能成為受力骨架的一部分,因此混合集料的彈性模量將顯著降低,同時彈性變形也劇烈增加。

2.3 阻尼比

參考肖建清等[19]阻尼比λd計算式為

( 3 )

試樣阻尼比變化曲線見圖7。從圖7(a)和圖7(b)中都可以看出,混合了TDA的集料在加載初期阻尼比出現(xiàn)顯著降低,約100次循環(huán)后集料阻尼比逐漸趨向基本穩(wěn)定。阻尼比隨循環(huán)次數(shù)先降低后逐漸穩(wěn)定的變化規(guī)律與Qi等[20]試驗結(jié)果相似。當(dāng)RC=5%時,混合集料的最終阻尼比略大于0%情況,當(dāng)RC=15%時混合集料的阻尼比略大于10%混合集料情況?？傮w說隨RC增加,阻尼比增大,同比例下的兩種尺寸TDA混合集料阻尼比相比,添加大粒徑TDA的阻尼比大于小粒徑TDA添加情況。

圖7 阻尼比隨循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系曲線

初始加載階段,混合集料中較多的顆粒(道砟與TDA)發(fā)生較大的相對位移運動,道砟顆粒也在相對碰撞、滑移中發(fā)生破碎、磨耗等,因此消耗大量能量。阻尼比是表示動荷載作用下材料有效耗散能量的參數(shù),因此初期阻尼比較大。隨著循環(huán)次數(shù)增加,顆粒之間的接觸比較緊密后不易發(fā)生相對運動,道砟的破碎也基本停止,因此損耗的能量比例迅速降低并逐漸穩(wěn)定。當(dāng)RC較低時(5%),TDA顆粒難以充分發(fā)揮吸能作用,因此略大于0%情況。RC分別為10%和15%時,阻尼比較接近表明在一定范圍內(nèi),TDA顆粒對道砟骨架的吸能作用差異不大。

3 能量分布研究

循環(huán)加載試驗過程中,能量通過不同方式傳遞。從能量角度分析研究,有利于探索混合集料作用機(jī)理。

加載過程中外力所做的功累積為總能量,并不斷轉(zhuǎn)變?yōu)楹纳⒛芎蛷椥詰?yīng)變能。耗散能主要通過塑性變形、道砟顆粒破碎和其他形式(如熱和聲音)消耗,反映了材料抵抗變形和破壞的能力。彈性應(yīng)變能等于在卸載時通過彈性變形釋放的能量,是試樣振動的主要原因,并可能引發(fā)不穩(wěn)定變形[5,21]。累積總能量Eacc表達(dá)式為

Eacc=Eela+Edis

( 4 )

式中:Eela、Edis分別代表彈性應(yīng)變能及耗散能。

利用滯回曲線,可以計算得到累積總能量、耗散能及彈性應(yīng)變能[22],兩種TDA尺寸下各種能量與RC關(guān)系見圖8。

圖8 3種能量隨TDA摻量變化關(guān)系

由圖8可以看出,隨著RC的增加,累積總能量、耗散能、彈性應(yīng)變能都主要表現(xiàn)為增加。隨著RC增加,耗散能占總能量的比例增加,表明能量耗散率的提高(與阻尼比分析結(jié)果一致)。總能量代表著集料的吸能作用,但彈性應(yīng)變能代表振動程度,彈性應(yīng)變能過大則可能引發(fā)劇烈的振動。從圖8(a)可以看出,小粒徑TDA下,當(dāng)RC≤10%時,彈性應(yīng)變能基本不變,當(dāng)RC=15%、20%時,彈性應(yīng)變能迅速增長。從圖8(b)可以看出,大粒徑TDA下,當(dāng)RC≤15%時,彈性應(yīng)變能基本不變,當(dāng)RC=20%時彈性應(yīng)變能增長達(dá)1倍以上。為保障安全,彈性應(yīng)變能不能過大。

塑性變形和道砟破碎是耗散能的主要形式,其他形式的消耗較少可以忽略不計。累計軸向應(yīng)變ε反映了試樣的塑性變形,道砟破碎率可以代表道砟破碎所消耗的能量多少。為量化顆粒破碎,國內(nèi)外學(xué)者提出了一些破碎指標(biāo),如Bg、Br、BBI等[23-25]。由于BBI中表示集料可能發(fā)生的最大破碎程度所對應(yīng)的破碎上限邊界更接近道砟破碎的分形級配曲線,因此本文采用BBI代表道砟破碎指數(shù)。在每層擊實過程中,夯擊前道砟上面放置橡膠墊以避免顆粒破碎,試驗后的顆粒破碎情況未考慮這一過程的影響。

BBI計算式為

( 5 )

式中:A為道砟初始級配和最終級配所包含的面積;B為道砟破碎上限和最終級配所包含的面積。

BBI計算方法見圖9。圖9中,破碎上限邊界從dmax延伸至dmin,dmax為初始級配曲線d95值,d95= 56 mm,dmin為道砟破碎下限值,其值為方孔篩最小孔徑。雖然本試驗篩分所用方孔篩的最小孔徑為16 mm,然而道砟顆粒破碎、磨耗會產(chǎn)生小粒徑顆粒和粉末,因此定義dmin= 0 mm。

圖9 道砟破碎指數(shù)BBI計算方法

將累積軸向應(yīng)變ε和道砟破碎指數(shù)BBI統(tǒng)一繪制在圖10中。

圖10 累積軸向塑性應(yīng)變及BBI隨TDA摻量變化關(guān)系

由圖10可知,隨著RC的增加,道砟破碎指數(shù)BBI降低的同時塑性軸向應(yīng)變增加。添加TDA可以有效降低道砟破碎程度是已有研究中形成的共識。圖8已反映出,隨著RC增加,總體耗散能增加,耗散能所占比例提高。在此基礎(chǔ)上分析圖10中兩種耗散能形式的變化規(guī)律,累積塑性變形呈增加趨勢,道砟破碎呈降低趨勢。由此可見TDA降低道砟破碎的主要原因是塑性變形消耗能的增加,集料累積塑性變形的增加是不可避免的。當(dāng)然過大的沉降變形對軌道結(jié)構(gòu)是有害的,因此TDA改良措施的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)當(dāng)考慮各類能量重分布的平衡。

對比兩種尺寸TDA同摻量下BBI及軸向塑性應(yīng)變ε,見圖11。由圖11可以看出,同比例下小粒徑TDA混合試樣的BBI值略小于大粒徑情況,但軸向塑性應(yīng)變卻明顯大于大粒徑TDA情況。由圖11(b)中看出,小粒徑TDA添加下,塑性應(yīng)變隨RC增長較快,增加值幾乎達(dá)到大粒徑情況的1倍(除20%以外)。大粒徑TDA添加下,當(dāng)RC增加至10%和15%時,累積塑性應(yīng)變基本保持不變?？梢姶罅絋DA對道砟破碎率的降低效果略低于小粒徑情況,但累積塑性變形顯著低于小粒徑情況。

圖11 同體積比下破碎指數(shù)BBI及塑性應(yīng)變ε

4 結(jié)論

本文在道砟中均勻混合兩種尺寸、不同摻量的TDA顆粒,采用GCTS大型振動三軸儀開展循環(huán)加載單元試驗,并結(jié)合能量分析研究,探索了添加TDA的作用機(jī)理,考慮能量平衡分布的方法可為改良措施的優(yōu)化設(shè)計提供新思路。主要結(jié)論包括:

1)試驗結(jié)果表明,TDA摻量過大時混合道砟集料將發(fā)生塑性破壞。在一定摻量范圍內(nèi),隨摻量的增加,混合集料累計變形增加、動彈性模量總體表現(xiàn)出降低趨勢、阻尼比增加。

2)通過能量分析發(fā)現(xiàn),隨著TDA摻量的增加,累積總能量、彈性應(yīng)變能和耗散能均有不同程度增加。耗散能占總能量的比例增加,能量耗散率提高。兩種耗散能主要形式中,道砟破碎率呈降低趨勢,累積塑性變形呈增加趨勢,表明混合TDA降低道砟破碎率的主要原因是塑性變形能的增加。

3)TDA摻量超過一定數(shù)值,彈性應(yīng)變能將迅速增加,可能引發(fā)劇烈振動,塑性變形過大,剛度較低。8～16 mm粒徑TDA添加下?lián)搅繎?yīng)控制在10%以內(nèi)、16～25 mm粒徑TDA下?lián)搅繎?yīng)控制在15%以內(nèi)。同摻量下,16～25 mm TDA降低道砟破碎作用略低于8～16 mm TDA,但其動力性能受TDA的影響較小。

本文主要是針對TDA摻量及顆粒大小對集料動力性能影響展開了試驗研究,利用能量原理初步分析機(jī)理。對最佳摻量等的優(yōu)化內(nèi)容并未做深入研究。在改良方法實際應(yīng)用之前,還需要大量深入細(xì)致的研究工作,綜合考慮各因素的影響。對于帶有橡膠顆粒的廢砟,可以將橡膠顆粒篩出,然后通過粉碎、加熱等物理化學(xué)過程處理后再利用,以消除對環(huán)境的污染。此外,本文也未考慮TDA材料耐久性問題,將在接下來的工作中開展研究。