振动荷载下级配碎石颗粒运动及其能量特征试验研究

大空隙级配碎石因其良好的透(排)水性能逐渐用作“海绵城市”路面结构的基层填料,但振动荷载作用下填料颗粒在重新排列过程中的运动姿态变化以及能量状态空间分布规律仍不明确。文章基于颗粒堆积理论设计了不同级配的碎石填料,开展不同激振参数组合下的室内新型平板振动压实试验,在试样内部不同位置处放置新型智能颗粒传感器(SmartRock)实时监测压实过程中颗粒的运动姿态变化,由颗粒加速度响应分析填料内部运动能量的时空演变规律,进而提出基于颗粒运动和能量分布的填料压实质量评价新指标。研究结果表明,级配碎石填料振动压实过程可明显分为两个不同阶段:第一阶段大部分能量耗散于碎石颗粒的竖向运动及空隙的压缩,占主导的颗粒竖向运动未形成致密的骨架结构;第二阶段颗粒主要发生水平面内的平动以及竖直面内的滚动,颗粒的长轴取向逐渐趋近于“平躺”状态,大部分能量耗散于颗粒间空隙的填充,颗粒逐渐互相紧密咬合嵌挤并形成稳定的骨架结构。试样中上部颗粒的运动指标可较好地评判压实状态,当颗粒水平向运动能量从逐渐增大过渡到逐渐减小至几乎没有任何能量分布但竖向能量分布突增时,表明试样已达到较优的压实状态,新的颗粒运动和能量指标可为连续压实质量智能评价和调控技术研究提供有益的理论依据和研究基础。

道砟压实质量与颗粒运动关联特征及内在机制研究

级配较为均匀的道砟其捣固(压实)质量对铁路有砟道床的服役性能起着至关重要的作用。然而,目前尚无统一的标准或规范可用于指导和控制道砟捣固(压实)参数选择,传统的路基填料压实也未能考虑散体颗粒的自组织行为和细观运动特征等。基于正交设计方案开展缩放道砟级配的室内旋转压实试验,在试样的不同位置预置了新型智能颗粒传感器用于监测旋转压实过程中颗粒的运动参数,揭示道砟压实质量与颗粒运动参数的关联特征,从颗粒细观运动角度探究压实机理,提出考虑颗粒细观运动特征的压实度控制新指标。研究结果表明:智能颗粒传感器可用于测量旋转压实过程中粗颗粒的细观运动参数;3个方向的相对旋转模式与旋转压实过程中试样干密度和高度的变化直接相关,据此可将压实过程分为初始压实、旋转压密和稳定压密等3个阶段;试样上部位置处智能颗粒传感器的相对转角可作为新的压实度控制指标。研究成果有望为铁路道砟的室内外压实技术选取和压实质量控制提供技术参考和指导。

不同煤灰脏污程度下道砟宏观强度及细观颗粒转动特性分析

道砟脏污易诱发有砟道床翻浆冒泥和差异沉降等病害,进而危及列车的平稳和安全运行。针对此工程难题,采用脏污指数(FI)配制不同煤灰脏污程度的道砟试样,开展室内大型单调加载三轴压缩试验,由试样内部不同位置处埋设的无线智能颗粒传感器(SmartRock)实时采集颗粒细观转动数据,分析不同煤灰脏污程度下道砟试样宏观剪切强度的变化规律及其与颗粒细观运动的关联机制。研究结果表明,煤灰脏污程度的增加在宏观上导致试样从应变硬化逐步过渡到应变软化;FI值为10%~15%时,试样峰值偏应力及似黏聚力值均最小;三轴试样内部道砟颗粒的转动主要表现为竖直面内的翻转,且清洁道砟试样内部颗粒在竖直面内的翻转随其距试样底部高度的下降而逐渐减弱,试样侧边缘对道砟颗粒运动的约束作用逐渐增强;当FI值达15%时,试样内部道砟颗粒的翻转无明显规律,或因颗粒间的传力骨架已逐渐被破坏;然而当FI值>15%时,试样内部道砟颗粒间的翻转运动差异性明显增大,致其力学稳定性降低;道砟颗粒转动的均匀性在一定程度上决定了其宏观强度性能,并可用于预估煤灰脏污程度。该研究成果或可为有砟道床煤灰脏污程度无损评定、清筛周期优化及智能养维提供理论依据和技术参考。