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摘要：目前已经有很多预测铁道道砟层沉降的模型，但这些模型是否能够准确预测实际铁道道砟表现是未知的。所以探寻实验模型与实际铁道道砟表现之间的关系是十分重要的。但是在铁道进行可控的原位实验非常困难，故本文设计了一个带有轨枕块的箱式道砟实验仪器来模拟在真实铁道受力模式下的道砟表现，通过对几组含土的脏污道砟试样的实验检测了Fei（1）所建立的脏污道砟模型的准确性。并进一步完善了该模型，使其可以准确预测实际铁路道砟沉降。
关键词：箱式实验；脏污；道砟；轨枕；沉降；应力；应变。
1. 引言
在道砟道床中，道砟被各种来源的材料污染，主要来源是破损道砟、枕木磨损、道砟表面及路基层杂质侵入。脏污道砟会增加不均匀沉降等各种问题，所以需要对脏污道砟在铁道受力情况下的表现有一个深入的了解。但是，现有的道砟模型都只是预测应力对道砟表现的影响，很少有模型考虑了水及各种杂质对道砟表现的影响。所以Fei（1）基于一系列实验建立了预测脏污道砟沉降的模型，但是由于实验仪器及实验条件限制，模型预测结果与实际铁路脏污道砟沉降必然存在差异。故本文设计了新型箱式实验仪器，该仪器尺寸较大，并可以模拟轨枕的作用，通过一系列对脏污道砟的箱式实验对模型进行了调整，使其可以更有效的预测真实铁路脏污道砟沉降。
2. 箱式实验仪器
箱式仪箱体的长宽高分别为450mm、200mm及300mm。四周和底部用料均为表面硬化的钢结构。同时放置一个10mm厚的橡胶垫在道砟下模拟典型路基层的弹性。Sol（2）采用的同样材质20mm厚橡胶垫在5Hz荷载频率下的静态与动态轴承模量分别为0.35N/mm3和0.85N/mm3。轨枕块下的道砟厚度为200mm。与模拟的真实铁路道床单元对比，本实验仪的规模大致为实际规模的2/3。图2.1为箱式实验仪器。
图2.1 箱式实验仪器
长方体轨枕块的材质为木材，长宽高分别为200mm、148mm和100mm。轨枕沉降由加载仪器自带的线性变量转换器测量。实验中在道砟与箱体侧立面之间放置3mm厚的橡胶垫可以模拟一个可延伸的非固定包围环境，经实验对比，有侧向橡胶垫的实验比无橡胶垫实验重复性更好，并且带有侧向橡胶垫实验的连续性更好，故实验将全部采用侧向橡胶垫。
3. 应力分析
为与费庆磊（1）所建立的道砟模型相适应，箱内道砟被分为五层进行受力分析（如图3.1所示）。轨枕正下方竖向应力为：
其中A为轨枕块底部面积。砟肩下的竖向应力应为：
γ为道砟的单位重。水平应力可通过摩尔-库伦圆估计（如图3.2所示）。同样的应力比值在同一位置应该导致相同的剪切应变。所以：
故：
水平应力为：
平均轴向应力及偏应力分别为：
轨枕道砟接触面的竖向应力为：
第一层中平均竖向应力为：
各层中的剪切应变可由Fei（1）建立的模型进行预测。剪切应变利用泊松比转化为竖向应变，进而各层中沉降可被计算。五层沉降之和为总沉降值。通过Boussinesq理论应力扩散角为350。
图3.1 箱式实验受力分析示意图
图3.2 摩尔-库伦圆分析
4. 实验数据分析
4.1 纯道砟单阶段实验
实验中所采用的应力及荷载数分别为200kPa和20000荷载。实验结果将与后续脏污道砟实验结果进行比较。沉降值（除去第一个循环荷载）在初始及重复实验中分别为18.3mm及19.8mm。方差为7.6%，说明在200kPa及20000个循环荷载的条件下箱式实验的实验结果是具有可重复性的。
图4.1 纯道砟实验中沉降值-循环荷载数
根据Fei（1）通过大三轴实验建立的关于剪切应变的模型，剪切应变的计算公式为：
故在本实验中，沉降值的计算公式应为：
其中：
S = 轨枕下沉降值
h = 轨枕下道砟厚度
μ = 泊松比
= 各层道砟厚度
= 各层平均轴向应力
= 各层偏应力
= 各层水平应力
进而，需要确定箱式实验中特定受力情况下的泊松值。在一组同样受力条件的并行箱式实验中，另外一组线性变量转换器通过钢缆连接在道砟上用以测量水平方向应变。通过测试，50000个循环荷载后平均竖向应变为2.05%，平均水平应变为0.93%。所以泊松比约为0.46。故公式变为：
沉降预测值比箱式实验中的实际值要小，造成的原因可能是对水平应力，泊松比及对各层分离的假设不准确。所以本模型添加了一个调整系数来校正公式。校正后公式为：
4.2 脏污道砟实验
实验中采用的脏污材料为土。脏污度分为两个等级：轻度脏污及脏污，土占试样总重量的比例分别为14.5%及29.5%。水含量分为三个等级：干燥、土的塑限及液限，分别占土重量的0%、21.95%及33.71%。每实验20000荷载循环。实验结果将用来检测Fei（1）所提出的预测脏污道砟沉降的模型，该模型具体为：
其中：
N = 循环荷载数
FI = 脏污系数
w = 水含量系数
结合公式4.4与公式4.5，模型转变为：
通过此公式预测的沉降值与箱式实验中的实际沉降值的对比如图4.2所示。通过图4.2可以看出，预测的沉降值与实际值基本相同，说明本模型可以有效的预测脏污道砟的沉降值。
图4.2 道砟预测沉降值-实际沉降值
5. 结论
（1）在箱式实验中，侧立面放置橡胶垫可以提供一定的水平方向移动空间，可重复性比无侧面橡胶垫的实验更好。
（2）本文将Fei（1）建立的沉降预测模型进一步完善为可预测实际铁路沉降的模型。新建立的模型可以有效的预测应力值、循环荷载数、脏污度及水含量对长期沉降的影响。
参考文献：
1.Fei, Q. (2007). “Performance and Maintenance of Fouled Ballast”. PhD thesis, University of Nottingham.
2. Sol, S.M., Thom, N.H., Moreno-Navarro, F., Rubio-Games, M.C. and Airey,G.D. (2015). “A Study into the Use of Crumb Rubber in Railway Ballast: Construction and Building Materials”. Construction and Building Materials. 75, 19-24.
论文作者:费庆磊
论文发表刊物:《防护工程》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/22
标签：脏污论文; 应力论文; 轨枕论文; 模型论文; 荷载论文; 箱式论文; 应变论文; 《防护工程》2018年第4期论文;