捣固作业对道砟破碎伤损影响规律的试验研究

韩宏洋 杨永平 杨轶科 杨思伟 徐旸 杨曦

1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.中国铁路昆明局集团有限公司，昆明 650000；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

有砟轨道的散粒体道砟颗粒会在列车的循环作用下产生不均匀的累积变形，引起线路的几何不平顺。采用大型养路机械进行起道、捣固作业是改善有砟道床几何平顺性的主要手段。通过捣固机械将刚性捣镐插入碎石道床内，枕盒间的道砟会重新挤入整体轨枕底部，使有砟道床恢复弹性。关于捣固作业对道床力学性能的影响规律，国内外学者进行了大量研究。文献［1］对捣固作业前后道床的力学状态进行了分析，认为捣固作业会增大道床的共振频率、支承刚度、道床的横向阻力。文献［2］通过道砟三轴试验研究了起道、捣固作业对道床状态的影响，发现起道及捣固作业会破坏道床内部的稳定结构，使道床出现应力松弛现象，建议道床的捣固作业越少越好。文献［3］采用室内道砟箱试验模拟了新建及脏污道床在捣固前后的抗累积变形能力，并认为当脏污率大于30%以后，道床弹性下降、塑性增强，捣固后循环荷载产生的道床沉降将大于捣固之前的道床沉降。文献［4］采用道砟箱试验研究了4种不同物理性能道砟在循环捣固作用下的力学性能，并指出道砟本身的物理性能会对捣固作用后的力学行为产生显著的影响。文献［5］采用离散元法将道砟颗粒进行粘接以模拟板结道床，并研究了捣固作业对板结道床性能的影响，认为板结道床应采用差异化的作业参数。文献［6］采用室内实尺试验与数值仿真结合的手段，研究了不同捣固作业参数对道密实度、道砟接触力等参数的影响规律，并指出捣固引起的道砟颗粒破碎是今后研究中需要关注的问题。文献［7］在研究捣镐对有砟道床细观作用机理的基础上，提出了捣固与稳定作业合理参数的评价方法，为捣固质量的合理评估提供了方法。

实际工程中，在捣镐的冲击及夹持作用下，道砟颗粒会不可避免地破碎，导致道砟颗粒外形及道床级配发生变化，从而对道床的力学性能产生显著影响。既有研究多关注捣固作业本身对道床力学性能的影响规律，而关于捣固作业对道砟破碎及道床伤损的定量化研究却鲜有涉及。本文采用原位捣固试验，定量分析捣固次数对道砟破碎的影响规律，并对道砟颗粒的典型破碎形式进行研究。

1 循环捣固破碎试验

为研究捣固作业对道砟破碎的影响规律，本文设计了道砟颗粒的循环捣固破碎试验，并在临沧站附近的桥上新建有砟轨道线路中选取一处枕盒开展现场试验。为便于观察道砟的破碎情况，将该空枕盒内的道砟进行染色，如发生道砟颗粒破碎的情况，则道砟颗粒的破碎面会呈现出原有岩石的颜色，以此观测道砟颗粒的破碎情况。在捣固破碎试验中，该区域的道砟直接受捣镐插捣作用，通过筛分称重的方式记录初始的道砟颗粒级配。试验时对该枕盒内道砟进行捣固，每次捣固后将染色道砟全部挖出，并进行筛分和称重。随后回填，再进行第2次捣固，共循环6次，得到大机捣固作业次数对道砟颗粒破碎以及级配变化的影响规律。道砟现场捣固作业见图1。

图1 道砟现场捣固作业

道砟颗粒级配的变化过程见图2。可见，捣固作业对道砟颗粒的外观有显著影响，每一次捣固作业都会造成道砟颗粒的主体和局部发生破碎，且随捣固次数增加大颗粒道砟数量逐渐减少、小颗粒道砟数量逐渐增多，道砟表面的颜色逐渐变浅，说明捣固作业还会引起道砟颗粒的边角磨耗、粉化。

图2 道砟颗粒级配的变化过程

2 捣固对道砟级配的影响规律

捣固前后道砟级配曲线见图3。可知，与初始级配曲线相比，每次捣固后的级配曲线均发生了向上的移动，表明随着捣固次数增加，大粒径道砟含量减少，小粒径道砟含量增加。

图3 捣固前后道砟级配曲线

定义捣固前后道砟的质量变化率Cb以分析捣固对每一粒级道砟颗粒破碎的影响规律，表达式为式中：b6为第6次捣固作业后，当前粒级道砟颗粒的过筛质量百分比；b0为道砟颗粒的初始过筛质量百分比。

不同粒级道砟质量变化率随捣固次数的变化情况，见图4。

图4 不同粒级道砟质量变化率随捣固次数的变化情况

由图4可知，道砟颗粒的破碎主要分为三个阶段：第Ⅰ阶段（第0~2次捣固），56~63 mm粒级的道砟颗粒是发生破碎的主要来源，且主要破碎为45~56、25~35.5、16 mm以下三种粒级的道砟颗粒。第Ⅱ阶段（第3~4次捣固）道床样本中45~63 mm粒径的道砟颗粒质量逐渐减少，并破碎为16~25、35.5~45 mm两种粒级的道砟。第Ⅲ阶段（第5~6次捣固），56~63、45~56、25~35.5 mm三种粒级的道砟颗粒质量逐渐减小，破碎为35.5~45、16~25、16 mm以下三种粒级的道砟。说明随着捣固次数增加，道砟颗粒破碎率并非与粒径完全成正相关关系，不同捣固次数下不同粒径道砟的破碎率存在较大的差异，会引起道床道砟级配相比于设计级配发生较大的改变。

为反映捣固后道砟质量变化对整体级配的影响，定义道砟质量变化影响率e为式中：e0为捣固前各个粒级道砟所占的质量百分比。

捣固作业后道砟颗粒级配的变化见表1。可知，6次捣固作业对16~25、35.5~45、56~63 mm三种粒级道砟颗粒的质量百分比影响最显著。按照TG/GW 102—2019《普速铁路线路修理规则》中25 mm粒级以下颗粒作为道床脏污判断标准，经过6次捣固后，道床的质量脏污率已经由捣固前的11.1%增加为

表1 捣固作业后道砟颗粒级配的变化

18.7%。

3 道砟颗粒破碎形式

捣固作业前后道砟颗粒粒径变化见图5。可见，经过6次捣固作业后，道砟颗粒发生了明显的破碎现象，大颗粒数量急剧减少。

图5 捣固作业前后道砟颗粒粒径变化（单位：mm）

单个道砟颗粒破碎形式的取样分析结果表明，道砟颗粒的破碎形式主要可以分为道砟主体分离和局部掉块两种类型，见图6。

图6 道砟颗粒的破碎形式

道砟的主体分离主要是指当大粒径道砟颗粒承受荷载大于自身承载极限时，大颗粒从中部分解为2~3块小颗粒道砟。该过程类似于道砟颗粒生产过程中的岩石破碎过程，道砟颗粒的粒径发生较大变化。局部掉块主要是指道砟颗粒表面崩离掉块形成粉末状细料，而道砟颗粒粒径并未发生明显变化。这就解释了图4中粒径范围在16 mm以下、16~25 mm以及35.5~45 mm的道砟颗粒随捣固次数增加质量变化率逐渐增大的原因。大粒径道砟颗粒主要发生两类破碎模式，即破碎成若干小粒径脏污颗粒（粒径小于25 mm）和一块中等粒径颗粒（粒径在35.5~45 mm）。前者会导致道床的级配发生显著变化，后者会造成道床的脏污率增加。

4 不同粒级道砟的捣固破碎率

为定量分析每次捣固作业下不同粒径道砟的破碎规律，计算每次捣固作业后道床各粒级道砟颗粒质量百分比相比前一次捣固作业的质量变化率，见图7。

图7 捣固后各粒级道砟颗粒质量变化率

由图7可知，前3次捣固会引起道砟颗粒质量发生显著变化，而后3次捣固引起的道砟颗粒质量变化率基本稳定。因此，取前3次捣固后道砟颗粒质量变化率的平均值对新建道床道砟颗粒破碎率进行分析，取后3次捣固后道砟颗粒质量变化率的平均值对运营期间道砟颗粒破碎率进行分析。定义道床各粒级道砟破碎率为Cn，即

式中：n为捣固次数；pi为第i次捣固时道砟颗粒的质量变化率。

Cn为负值说明该粒级道砟颗粒破碎的质量大于上一粒级颗粒破碎所补充的质量；Cn为正值说明该粒级道砟颗粒破碎的质量小于上一粒级颗粒破碎所补充的质量，质量有所增加。新建（i=1，n=3）及运营期（i=3，n=6）道床的道砟破碎率见表2。可知，对于新建道床，56~63 mm粒级的道砟颗粒是发生破碎的主要来源，破碎率为-26.99%。而对于运营期道床，道砟颗粒破碎主要发生于25 mm粒级以上的道砟颗粒，与新建道床相比，25 mm粒级以下的道砟颗粒破损率更高。对于捣固次数较多的道床，捣固作业主要会引起细颗粒增多，道床脏污率增大。

表2 新建道床及运营期道床道砟破碎率

5 结论

1）捣固作业会引起道砟颗粒发生明显的破碎，并由大颗粒逐渐转化为小颗粒，进而导致道砟整体级配发生显著变化。说明捣固作业会造成道砟颗粒明显伤损，应在有砟道床的养护维修中予以重点关注。

2）捣固作业主要会引起单个道砟颗粒的粒径减小以及表面掉块。前者会导致道床的级配发生显著变化，后者会造成道床的脏污率增加。

3）对于新建道床，56~63 mm粒级道砟颗粒是捣固作用下道砟破碎的主要来源，即捣固作业对新建有砟道床最主要的影响是导致大颗粒破碎。

4）对于运营期的道床，捣固引起的道砟颗粒破碎主要发生在25 mm粒级以上的道砟，即对于捣固次数较多的道床，捣固作业主要会引起细颗粒增多，道床脏污率增大。

捣固作业对不同服役阶段有砟轨道造成的伤损形式不同，应针对不同道床状态提出差异化的捣固作业参数，减少捣固作业对道床的伤损，延长道砟使用寿命。