作者：井国庆
出版社：中国铁道出版社
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铁路有砟道床试读：
前言
铁路是社会发展重要基础设施，是卓越环保高效交通工具之一。铁路在综合交通体系中占有重要地位，为经济和社会全面、协调、可持续发展，发挥着有效促进作用。随着高速重载铁路建设、运营及养护维修模式与方法发展，传统有砟道床研究方法、理论模型、结构体系、质量标准、设计理念和养护内容与方法已经发生显著改变。与此同时普通铁路道砟道床作用机理与结构体系需要进一步加强研究，以应对高速铁路道砟飞溅、过渡段设计、道砟流化、道砟再利用、道砟-土工织物复合体系、道砟-道砟胶体系、道砟道床RAMS及LCC研究、现代养护维修优化等诸多涉及结构、安全、节能、环保可持续发展多方面需求。以上问题需要进一步从铁路运营条件下道砟-轨枕力学作用机理及本构模型、道砟道床结构相互作用体系与机理、道砟-外部机械养护维修相互作用机理与优化等方面进行精细化微观力学基础研究、多结构系统协同精细化研究。同时发展创新道砟道床测量、检测、监测新方法，引导和开创养护作业新模式，促进中国铁路环保绿色可持续发展。
作为轨道工程工作者，在我看来道砟美如玉，坚如钢，情如水，孕育于深邃大地，长于莽莽巨石，千锤万凿，脱骨慧手，十数年风雨兼程，披星戴月，冷漠挤压，无情冲击，即使粉化成尘，傲立泥浆，也粒粒铮铮！道砟吟千锤万凿出深山，冲击磨耗若等闲。粉骨碎身浑不怕，要保轨道稳且坚。
本专著主要由北京交通大学井国庆博士撰写，李成辉教授主审。在编写过程中得到众多专家和学者鼎立支持与参与：西南交通大学陈嵘博士（第五章试验部分），铁道部工程管理中心教授级高级工程师赵东田博士（第九章），济南铁路局工务处总工教授级高级工程师吕关仁（第十章），以及蔡小培博士（第十一章第3节）。
向数十年专注道砟道床研究应用的曾树谷研究员致敬。
由于作者水平有限，本专著难免存在不足之处，希望读者在使用过程中多提意见，使本书日臻完善。第一章绪论
铁路是国家重要基础设施与环保高效交通工具，在综合交通体系中占有重要地位，为经济和社会的全面、协调、可持续发展，发挥着有效地促进作用。有砟轨道在运营、施工、养护维修等方面具有优越性，我国及世界上很多国家将有砟轨道作为高速、重载铁路的主要结构形式，如世界范围内所有重载、普通线路均为有砟轨道结构，高速铁路上全部或者部分为有砟轨道结构。其实在中国高速铁路快速发展之前，世界上高速铁路结构形式以有砟占主导地位，如法国、西班牙、意大利高速铁路全部为有砟轨道结构。普通铁路有砟轨道应用范围广、历史悠久，有近200年历史。总体来说有砟轨道在世界范围内占铁路结构形式95％以上。中国高速铁路大规模发展改变了世界高速铁路轨道结构形式格局，然而由于运营管理和养护维修方面经验的缺乏，在运营过程中容易出现各种各样的问题，而且维修困难，一旦出现问题会对高速铁路正常运营造成较大影响。同时道砟作为有砟轨道结构的重要组成部分，对车辆行驶安全性、舒适性及轨道质量、维修养护有着重要影响。从某些方面讲，有砟轨道易于维修，在适用性和灵活性上体现出明显优势，符合轨道结构传统研究专家学派观点：轨道结构为边运营边维修结构体系，揭示了轨道结构可维修性和维修与运营矛盾的特点，尤其适合中国幅员辽阔、地质结构复杂、气候条件多样特殊国情下，满足修建、运营安全性与经济性综合特点。综上所述，有砟轨道结构作为一种极其重要的铁路轨道结构形式，有着巨大的应用前景和发展空间，有重要研究和应用价值。
有砟轨道结构优点也同时表明道砟道床缺点，需要经常性维修，占用轨道结构，维修成本高、周期频繁。相关国家研究表明，有砟道床维修成本占轨道结构总体维修成本70％以上。这是由于捣固机械养护维修加速道砟破裂与老化，形成所谓“记忆效应”，同时导致维修后道床质量状态降低和列车限速，即道砟破碎和道床阻力降低。研究结果表明，道床道砟粉化量中20％是由于道床捣固作业而引起的，捣固维修一次所产生的粉末与通过货运总量100万吨荷载作用相当（Selig，1994；McMichael，1995）；英国铁路研究中心数据发现，道砟道床寿命周期被捣固维修作业消耗掉50％以上。同时三维离散单元软件仿真分析结果表明道床捣固作业后，道床横向稳定性最多可降低40％（Tutumluer，2006）；吕关仁等现场试验表明，道砟道床捣固维修后，道床纵横向阻力降低40％左右。因此，外部养路机械在维修作业的同时，对道床整体和微观破坏作用不容忽视，需要对道砟与养路机械相互作用机理进行深入研究。
道砟道床发展日新月异，环保可持续发展要求越来越高。新发展包括新结构、新工艺、新材料、新环境等多个方面，环保可持续发展要求道砟道床更稳、更强、更环保、更绿色。随着有砟道床技术发展，为了有效减缓有砟轨道劣化变形，新材料和新结构不断应用到轨道结构体系中，包括土工织物、道砟胶、石棉板垫层等。如利用土工织物进行既有劣化道床加固和道砟胶提高劣化道床阻力与稳定性（澳大利亚和英国）。如Xitrack高速铁路有砟道床体系，通过道砟胶对道砟表面的加固及深度的粘结，喷射道砟胶厚度每层为10～25cm，增强道床纵横向稳定性，道砟边坡固定和稳定，减缓或消除道砟的粉化，防止翻浆冒泥（Stjepan Lakuši，2009）。Brown教授合作进行道砟-新型土工织物试验，结果表明，土工织物能够提供咬合力与限制道砟颗粒侧向位移，能够显著降低劣化道砟承载的轨枕沉降。西班牙高速铁路采用Delta石棉板垫层，降低道床振动和维修成本等。德国及日本采用新型、异型弹性轨枕或可再生高分子轨枕增强轨枕-道砟咬合力和摩擦力，降低道床振动，提高轨枕道床阻力；沥青有砟道床体系，可维修性和耐久性介于有砟道床和无砟轨道之间。以上不同结构形式、刚度、材料多层多系统复合作用体系作用机理以及影响规律基础研究，在我国铁路科学研究界研究相对匮乏。可持续发展则要求道砟道床绿色无污染，包括设计和维修过程。比如废弃道砟重复再利用问题在发达国家已经形成产业化和规范化；又如国外已经进行道砟道床环境污染防治研究，研究内容包括道砟道床散落接触网铜粉、脏污及由此在雨水作用下对环境的污染等。
高速和重载铁路发展对道砟道床提出了更稳、更强的要求，同时道砟道床遇到前所未有需要考虑的新问题。比如高速铁路飞砟是铁道工程专家始料未及的事情：道砟居然会在列车振动和负压风载作用下飞起来击打列车和轨道，甚至包括冬季严寒地区线路，列车上积雪或者冰块击打道床，导致道砟飞溅等。一粒毫不起眼的道砟会击打造价高昂的高、速列车，并引起不可控的危险。
有砟道床还需考虑的一个问题是排水，排水不良会导致道床翻浆冒泥，甚至极端情况下会导致道床失稳。
列车循环荷载作用下，钢轨产生高频振动，通过轨枕动力作用引起道砟粉化、老化及流动，进而引起道床累积变形等问题，尤其道砟的破碎机理与发展规律对道床设计与维修养护工作的优化有重要影响。其次是随着高速铁路和重载铁路的发展，轴重、频率、速度等诸多影响因素与传统有砟铁路有所不同。最后，当今时代与社会发展对运营舒适性、安全性、环境保护、可持续发展等提出了更多更高的要求。比如在高速有砟铁路中出现很多新问题，如过渡段、道砟飞溅、桥上道砟流化、土工织物复合作用、道砟粉化、老化道砟再次利用、大型机械养护合理参数设置和优化问题等。以上问题的解决与突破迫切地需要从理论上对道砟基础应用进行深入研究。同时实际运营过程中，有砟轨道由于其结构的特殊性，如与水作用、道砟-轨枕（几何接触离散性、不同刚度体系匹配、动静态力学接触复杂力学行为）、短期与长期相互作用机理复杂，破坏形式多样，造成诸多安全隐患的出现。对于高速铁路有砟轨道，散体道床受到高速列车高频冲击振动的影响，破坏机制比普通铁路和重载铁路更为复杂。目前，铁路有砟轨道结构问题主要表现在以下几个方面：道砟-轨枕相互作用力学机理；道砟道床多层系统（包括复合材料与结构）相互作用；道砟道床机械养护维修机制与优化；道砟道床劣化延缓措施。
针对有砟轨道结构存在的诸多病害，目前所采取的养护维修技术方法和管理规定虽然能够在一定程度上减少病害的发生，起到一定的积极作用，但并不能从根本上解决问题。究其原因，主要是这些技术方法和管理规定更多的是基于工程经验，而对有砟轨道结构相互作用机理和变形规律认识不足，检测监测维修机制研究尚不成熟，许多深层次的理论和科学问题没有得到揭示。目前，国内外散体道床状态劣化机理及变形规律研究尚不够充分，特别是道砟劣化发生发展机理、道砟与大型养路机械相互作用、劣化道砟界定与判别、劣化道砟再利用等研究相当匮乏，对我国有砟轨道发展造成巨大障碍。
目前有砟道床研究重点表现在以下几个方面。（1）铁路运营条件下道砟-轨枕力学作用机理及本构模型研究。微观层面上道砟-轨枕相互作用力学特性与机理没有得到充分解决，如道砟-轨枕散体接触、道砟颗粒微观劣化与宏观流变性之间关系。深入研究该问题一方面能增强道床稳定性与承载力，降低养护维修成本；另一方面有助于改善或者缓解道砟劣化发生与发展，如优化轨枕刚度与形状、弹性轨枕等。（2）有砟轨道系统相互作用机理研究。道砟道床与下部结构（路基、桥梁）及新型土工织物（包括道砟胶、道砟垫、挤塑板等）等结构体系受力机理和影响规律需要进一步明确。同时道砟结构体系固化技术与结构体系作用机理，亟待解决。（3）道砟-外部机械养护维修相互作用机理与优化。道砟捣固维修，类似中国传统中医理论，是药三分毒，在治疗恢复过程中对受体也造成伤害。捣固机械对道砟道床养护维修的破坏机理，微观破坏与维修后道床状态失稳研究，需要明确。养护维修机械对道砟道床造成两方面不利影响，道砟破碎和道床阻力降低。如道床道砟粉化量中20％是由于道床捣固作业而引起的（Selig，1994）；英国铁路研究中心数据发现，道砟道床寿命周期被捣固维修作业消耗掉50％以上。因此，外部养路机械在执行养护维修作业的同时，对道床整体和微观破坏作用不容忽视，需要对道砟与养路机械相互作用机理进行深入研究，优化维修周期与捣固参数，宏观与微观相结合降低维修成本。（4）有砟轨道结构和维修深层次理论问题。采取科学手段进行轨道状态健康监测、检测、控制及养护维修是有砟轨道发展的首要问题。这一问题的解决依赖于对有砟轨道散体道床劣化机理及变形规律等科学问题的深入认识。只有深入研究有砟轨道散体道床力学特性、破坏机理以及复杂的演化规律等，为有砟轨道设计及养护维修提供科学指导和理论依据，才能实现有砟轨道运营安全控制从经验型到科学化的转变，极大地促进我国有砟轨道结构发展。而要进行深层次机理问题研究，有必要对道砟道床作用机理及演化规律进行微观力学定量分析，研究道砟颗粒本身、道砟散体、道砟道床物理力学性质和影响规律。如将道砟道床检测与钢轨、路基检测三位一体综合系统分析，更加有利于对轨道结构维修周期与维修成本优化，在现今技术条件下是完全可行和必要的。
通过收集和分析国内外铁路道砟相关研究资料，调研我国铁路道砟使用情况，进行一系列道砟基本物理力学测试与试验，结合离散单元法与其他仿真技术耦合平台进行微观研究，对列车作用下道砟-轨枕动力相互作用问题进行分析，建立并完善道砟道床研究内容与体系，发展道砟道床加固理论与技术方案，提出铁路养护维修方案并建立参数优化理论，研究路线见图1—1。图1—1 技术路线图第二章道砟单体物理性质一般情况下，道砟散体力学性质是由以下四个主要因素决定：单个道砟颗粒力学性质，如大小、形状、表面粗糙度、颗粒破碎强度、磨损等；道砟散体力学特性，包括粒径分布、级配、空隙率或密度和含水率；荷载特性，包括当前状态应力、应力历史和应力路径；颗粒老化，主要是颗粒单体性质、级配特性和荷载的综合效应。2.1单体物理特性
单个颗粒物理和力学特性显著影响着静态和周期荷载作用下道砟的行为。在以下章节中，对单个道砟颗粒特性及其对道砟力学性能影响规律进行讨论与论述。2.1.1 粒径
世界范围内道砟粒径一般为10～60mm，由于运输、装卸、堆放和压实道砟，以及重型施工机械在道砟道床上运动与作用，必然导致其表面粗糙度、甚至粒径发生变化。首先颗粒本身尖锐角会折断、破碎，有些颗粒可能分裂成两半，甚至粉碎成若干小块。随着列车反复荷载作用次数的增加，道砟颗粒进一步老化，粒径逐渐减小。但即使经过几百万次列车荷载后，超过90％道砟颗粒粒径仍在10～60mm范围内。
一些研究人员研究了粒径对道砟和其组合体力学行为的影响规律，所得研究结果并不完全一致，如一些专家通过试验结果证实，道砟散体材料摩擦角和剪涨角随着道砟粒径增大而增加（Kolbuszewski，2001；Frederick，2001）。相反，另一部分学者实验证明内摩擦角随最大粒径增加而降低的情况，见图2—1（Marachi，etal.，2002）。而Indraratna（2007）观察到类似结果，其研究表明在低围压（<300kPa）下摩擦角峰值随粒径增加略有下降；在高应力水平（>400kPa）下，粒径对摩擦角影响可以忽略不计。
一些学者同时指出，粒径较大的道砟，比粒径较小的道砟产生较高塑性应变。虽然较小粒径道砟在循环载荷下变形较小（即有较高阻力），但这种规律在荷载幅度从140kPa增加至210kPa时立即失效；相反，在这种情况下，较大粒径道砟则能继续承受循环荷载，而没有任何失效迹象（Raymond，1987；Diyaljee，1987）。Raymond和Diyaljee（1987）相应得出结论，如果应力水平不超过某个临界值，小粒径道砟变形较小。不过与粒径较大道砟相比，小粒径道砟最终压实强度比较低。为了探讨粒径对道砟行为的影响，Janardhanam和Desai（1983）进行了一系列循环荷载下真三轴实验，结果表明，在不同应力水平下粒径似乎并不显著影响道砟散体应变。他们还得出结论，粒径不影响体积应变，但粒径显著影响道砟弹性模量，在所有封闭区间内平均弹性模量随粒径增大而增加，并在低围压下与平均粒径几乎成线性关系，见图2—2。与此相反，Indraratna（2007）基于单调三轴实验结果，提出相对于粒径较小道砟，粒径较大道砟具有较小变形模量和泊松比。图2—1 粒径对摩擦角的影响（Marachi，etal.，2002修正后）图2—2 粒径对弹性模量影响（Janardhanam，1983）
考虑到不同粒径和级配优缺点，较大颗粒可以使轨道稳定，而较小的颗粒减少颗粒之间的接触力并减少破碎。Selig（1994）建议理想道砟粒径应为10～50mm，只允许少数颗粒超出此范围。2.1.2 道砟颗粒形状
图2—3为典型道砟颗粒形状代表。颗粒形状参数包括扁平系数与长细比（Flat Elongated Ratio，F&E Ratio）、尖角指数（Angularity Index，AI）及表面质地（Surface Texture，ST）等指标。以上参数都对道砟单体颗粒及散体物理特性具有重要影响（Tutumluer，etal.，2001）。图2—3 典型道砟颗粒形状（Tolppanen，2001）
不同于粒径影响规律研究结果，研究人员对于颗粒形状对道砟及其散体力学响应影响有一定共识。一般情况下，棱角增加颗粒之间的摩擦互锁从而增加抗剪强度（Indraratna，1998；Holz，1956；Leps，1970）。Holz和Gibbs（1956）认为新鲜道砟颗粒剪切强度远大于圆滑的河卵石道砟，见图2—4。Tolppanen（2001）通过对比新道砟和老化后道砟表面得出二者显著区别在于尖角磨耗和消失。Vallerga（1957）提出明确证据表明，棱角分明道砟散体与接近圆形散体相比，前者内摩擦角较高，见图2—5。而其他研究人员也得出类似结论，如内摩擦角主要取决于颗粒的多角程度（Kolbuszewski，1963；Leps，1970）。Jeffs（2007）和Jeffs（2009）通过试验得出结论，尖角道砟同圆角道砟颗粒相比，在相同荷载条件下，前者产生沉降较少。Chrismer（1985）通过一系列三轴试验表明，随着道砟颗粒尖角数目增加，道砟散体剪涨角增大，道砟颗粒移动困难，从而导致道砟散体剪切强度增加。图2—4 颗粒形状对强度的影响（Holz，1956；Gibbs，1956）图2—5 颗粒形状对摩擦角的影响（Vallerga，etal.，1957）
Jeffs和Tew（1991）指出道砟颗粒形状取决于其生产过程和岩石本身力学性质。大多数规范都限制片状系数超过3的片状颗粒的百分比，并排除片状系数超过10的片状颗粒。道砟颗粒形状过于扁平、细长，则在相同外界条件下容易折断。同时也有研究者认为，片状系数增加导致道砟磨耗和破碎加剧，在列车循环荷载作用下导致永久变形增大，同时加速降低道床刚度（Selig，Waters，1994）。虽然大多数规范限制畸形颗粒，畸形颗粒是指过于扁平或细长道砟颗粒百分比，但是所允许道砟畸形颗粒百分比并不一致，取决于线路运营条件和道砟工艺生产水平（Jeffs，1989）。Raymond（1985）指出立方体道砟颗粒是高品质道砟最佳形状，Jeffs和Tew（1991）也支持该观点。2.1.3 颗粒表面粗糙度
表面粗糙度或纹理被认为是影响内摩擦角的关键因素之一，从而影响道砟的强度和稳定程度。每一颗粒其表面都有着相同的“粗糙度”。“摩擦和摩擦力”都是基于荷载表面的粗糙度产生的，而道砟的抗剪强度取决于这些摩擦力的承受程度。Raymond（1985）提出颗粒形状和表面粗糙度是极端重要的，而这早已被确认为轨道稳定性主要影响因素。加拿大太平洋铁路公司认为表面粗糙度是比颗粒形状更重要的影响轨道稳定性的关键参数，并采取措施严格控制颗粒表面粗糙度，而不是直接控制颗粒形状（Raymond，1985）。Thom和Brown（1988）研究称道砟散体弹性模量随着颗粒表面粗糙度的增加而增加，并得出结论，塑性应变积累随表面粗糙度的增加而减缓。
因此大多数国家道砟规范都对道砟粗糙度有一系列规定，如采用岩石破裂道砟（尽量避免采用河卵石），道砟破裂面满足三个新鲜破裂面以上等（Raymond，1985）。这些规范确保道砟颗粒的最小表面粗糙度，并假设由于陈旧破裂面受到机械磨损和风化磨平的作用，新鲜破裂面有较高的表面粗糙度。由于循环荷载下颗粒的内部磨损，颗粒表面粗糙度随着时间的推移（即列车通过次数的增加）而降低，导致道砟产生碎屑。由于内磨损和尖角破损，表面粗糙度随时间逐渐降低，在数百万循环荷载后，导致道砟的内摩擦角和剪切强度大大降低。因此可以想象，单个颗粒的表面粗糙度显著影响道砟的力学行为，并最终影响轨道的稳定。
道砟实验室可以通过Masal（1973）方法进行颗粒表面粗糙度（摩擦角）测定：将道砟颗粒通过浇筑固定材料在一立方体盒中，然后通过金刚石锯水平分开，然后通过右侧装置施加垂向力，移动立方体盒上表面，即可测定道砟颗粒粗糙度和摩擦角，见图2—6。图2—6 道砟颗粒表面粗糙度测量方法（Masal，1973）2.1.4 母岩强度
母岩强度可能是直接影响道砟老化的最重要因素，而且间接影响轨道沉降和侧向变形。不同种类母材岩石岩性特征不同，其物理力学特性也不同，则碎石道砟材质检测指标也有较大的差别；同种名称的岩石，各自的宏观和微观岩性特征也有差别。通过道砟试验的经验，一般认为影响一组道砟质量等级的因素主要有岩石的矿物成分、结构、构造、岩石风化变质程度、岩石受动力作用强度等。比如花岗岩道砟和石灰岩道砟最大的差异在于稳定阶段前者弹性值比较恒定，而后者波动性很大，对行车安全和平稳都有很大的影响。因此，高等级道砟必须使用硬质道砟，确保道床良好的弹性和弹性均匀性。母岩强度包括抗压强度和抗拉强度两个方面。在相同的载荷和边界条件下，脆弱颗粒会产生更多的颗粒破损和塑性沉降。虽然大多数的道砟规范通常并不测试和规定母岩强度（例如，TS3402，新南威尔士州铁路基础设施公司），但对母岩强度要求隐含在选择标准中，其中包括岩石强度检查。高母岩强度也间接地反映于其他测试中，如“道砟破碎值”、“洛杉矶磨耗值”和“湿磨损值”等。这些测试结果共同表明道砟的耐久性和母岩强度。而且，为了提高道砟质量，母岩强度作为道砟质量指标也可以选择性包括在规范内。如中国碎石道砟规范对母岩相关检验进行相应规定：进行资源性材质检验；新建采石场及既有采石场转移开采面或工作面岩层材质、种类有明显变化时；采石场每生产道5353砟1.5×10 m （年产量少于1.5×10 m 的采石场，时间不超过1年），应按相关规定的各项内容进行一次生产检验。2.1.5 抗压强度
单个颗粒抗压强度是影响颗粒老化的重要因素，它包括载荷下颗粒断裂和尖角破碎、折断。颗粒破碎在散体力学行为中发挥重要作用（McDowell，Bolton，1998）。颗粒抗压强度主要取决于母岩强度、颗粒形状、颗粒大小、加载点和加载方向等。岩石颗粒断裂始于拉伸破坏，断裂强度可由平压板之间的径向压缩间接测量（Jaeger，1967），见图2—6。如果颗粒直径d受径向压力F，表征拉应力δ可由式（2—1）给出（Jaeger，1967）：
式（2—1）与巴西试验测试中的混凝土拉伸强度的定义是一致的，在这个测试中混凝土圆柱被压缩并在拉应力的作用下断裂。应用式（2—2）（McDowell，Bolton，1998）和Nakata等人（2001）描述f道砟颗粒拉伸破坏强度δ 。式中，下标f表示破坏。
由式（2—2）可见，较小道砟颗粒抗压强度比粒径较大颗粒高，更不容易破裂。可能的原因是较大道砟颗粒初始裂纹和损伤较大，更容易破裂。
Festag和Katzenbach（2001）将颗粒破裂分为颗粒断裂和颗粒磨损两种情形。颗粒断裂是颗粒断成几乎相同尺寸碎块，碎块具有相似性，碎块大小、形状分布具有一定规律性，一般在高应力作用下发生。而颗粒磨损是指非常小颗粒、粉末从颗粒整体表面脱落的现象，这与应力水平无关。颗粒磨损发生在由于剪切变形而导致的颗粒之间的滑动或滚动中，即使是较低的应力水平也会发生这种磨损。虽然颗粒断裂在应力水平较颗粒强度小的情况下可能不会发生，但颗粒磨损将在任何应力水平下存在。虽然颗粒耐压强度不在任何道砟规范中作要求，但其体现在“道砟破碎值”和其他耐久性试验标准测试条目中。
McDowell（2004）进行一系列不同母材、粒径道砟单体抗压测试试验，测试结果表明道砟颗粒破碎符合Welbull分布，得出不同母材道砟颗粒粒径对道砟抗压强度影响不同，道砟颗粒粒径与道砟抗压强度相关，道砟颗粒粒径对抗压强度影响可通过一系列经验公式表示，详见Lim博士论文（2004）。2.2颗粒老化
单个道砟颗粒老化对道砟道床耐久性和稳定性也具有重要影响。通常情况下，并不单个评估道砟颗粒的耐磨和耐风化的能力，而是对道砟道床进行综合评估。不同铁路组织使用不同的标准测试方法衡量道砟对磨损和风化耐受性。这些测试包括道砟散体洛杉矶磨损试验（LAA）、磨耗试验（MA）、德瓦尔测试和硫酸盐饱和溶液耐受性试验等（Selig，Waters，1994）。洛杉矶磨损试验、磨耗试验和德瓦尔测试常在北美和欧洲用于测量道砟耐磨性；硫酸盐饱和溶液耐受性试验主要用于检测其对硫酸钠和硫酸镁（盐）耐久性，用于评价道砟对应环境耐久性能力。道砟耐磨损和抗风化性能由标准和规范中指定的某些数值来确保，参见表3—1。2.2.1 颗粒破裂
道砟本身是一种典型的含有初始细微缺陷的岩石材料（岩石生成过程或者道砟生产过程），即内部或者表面含有一定裂隙，当外部荷载作用下，剪切强度或者抗拉强度超过道砟容许应力时，即发生破裂。道砟破裂有道砟颗粒本身主体破裂和道砟尖角折断两种主要表现形式，前者可以用来测定道砟抗压强度，如图2—7所示。图2—7 道砟颗粒破裂（抗压强度）试验装置2.2.2 表面磨耗
列车对轨道剧烈作用，通过钢轨-车辆磨耗、扣件以及垫板老化、道砟-轨枕以及道砟-道砟相互作用进行转移与吸收，反映在道砟上包括破裂与磨耗，破裂主要发生在高应力状态下局部与时刻，而道砟颗粒磨耗是全部范围内连续发生的。磨耗机理和影响可见图4—20进行初步揭示。
道砟单体服役过程就是道砟颗粒粒径从大变小、表面从粗糙到光滑的过程。道砟颗粒表面粗糙度降低，造成道砟颗粒之间咬合力降低，引起道砟剪切角和道砟散体剪切强度降低，进而道砟道床纵横向阻力降低，最终道砟道床失效，因此道砟颗粒表面磨耗程度也可作为一个重要参数对道砟道床稳定性和工作状态进行评估。如瑞典（Tolppanen，2001）尝试通过对道砟单体颗粒粗糙度和磨耗进行定量分析进而评估道砟道床整体力学性能。美国（Tutumluer，etal.，2001）通过光学数字系统UIAIA统计分析道砟表面质地（Surface Texture，ST）对道砟道床横向阻力影响分析。随着科学技术进步，道砟单体颗粒表面磨耗可作为一个定量指标评价道砟道床整体力学行为。2.2.3 破裂与磨耗模拟
由于道砟破裂和磨耗对道砟单体及道砟道床具有重要影响意义，因此如何从数值角度对道砟破裂和磨耗进行模拟，进而反映道砟耐久性和道床寿命，是一项重要研究工作，是各国道砟研究团队研究的热点和重点。离散单元法的出现使这个问题得到较好的解决。如通过颗粒组合，设定破裂准则、设置连接杆等将不同粒径颗粒组合模拟道砟颗粒破裂，或者将小颗粒黏着在主体颗粒之外，通过表面构成尖角、粗糙度小颗粒与主体颗粒分离模拟道砟颗粒磨耗，图2—8为几种模拟形式。道砟形状如大小、级配对道砟破裂与磨耗有重要影响，为离散单元法仿真重要内容，各种离散单元法根据自身特点通过不同方法最大程度模拟道砟颗粒形状。颗粒形状发展历程由简单到复杂，由二维到三维，如早期一般通过单一圆盘或球体代表道砟颗粒，后逐渐发展到用多个圆盘或球体不规则块体组合（McDowel，2006；Indraratna，2010）。如模拟破裂和磨耗成熟工具离散单元法软件PFC（Particle Flow Code）中基本单元为刚性圆盘或球体，单元本身不能磨耗和开裂，但通过连接杆将多个圆盘或者球体单元联结成一整体代表道砟，一方面形成图2—8的不规则圆盘或球组合体模拟道砟形状，另一方面通过设置其中连接杆剪切、拉伸强度，统计荷载作用下道砟块体连接杆开裂数目，评估道砟破裂与磨耗。另外也有研究者根据道砟颗粒破裂力学公式或者统计规律，设定离散单元法内在程序语句，根据道砟颗粒受力条件进行开裂和老化模拟。图2—8 道砟颗粒破裂和老化模拟示意图第三章道砟道床物理力学性质3.1有砟道床结构3.1.1 结构与功能
传统有砟轨道历经近200年的发展和使用，充分证明其优越性是无法替代的，有砟轨道结构仍是当前铁路轨道主要结构形式。图3—1为典型有砟道床结构组成示意图。该图从上到下分为上部结构和下部结构两部分（Esveld，2001）。上部结构包括钢轨、扣件和轨枕；下部结构包括道砟、底砟和路基。图3—1 有砟道床结构组成（Esveld，2001）
道砟是有砟轨道的重要组成部分，是用破碎岩石块体来支撑轨道结构（Alias，1984）。道砟这种带有尖角破裂硬质岩石块体，具有不均匀粒径分配，不易与灰尘和杂质粘结阻碍道床排水的特点，特别适合道床结构（Selig and Waters，1994）。道砟是一种散体材料，具有较高承载能力，同时作为一个平台支撑有砟轨道上部结构，通常其厚度为30～35cm。道砟的主要功能是承载列车轴重，其使用寿命一般为列车荷载通过10～15百万周期，但通常情况下道床在之前需要经过多次相关维修作业，作业成本高昂，同时影响列车通过（Desmyter，2009）。
道砟道床具有以下主要功能（Jeff，1989）。（1）为轨枕提供承载力和坚实稳固依托平台。（2）将列车动力荷载折减到轨枕/道砟接触面允许应力范围。（3）为轨枕提供足够阻力抵抗列车引起横向、纵向、垂向力。（4）提供弹性。（5）提供足够的耐久性抵抗道砟破裂、磨耗、生化侵袭和耐候性。（6）保证轨道结构较小的塑性变形。（7）保证足够的道床排水性和透水功能。（8）易于维修性。（9）降低振动，吸收噪声，提供足够的轨道电路阻抗。同时由于道砟层的存在，防止植物在路基上生长等。3.1.2 道砟材料及技术标准
为适应上述道床功能，道砟应具有以下性能：质地坚韧，有弹性，不易压碎和捣碎；排水性能好，吸水性差；不易风化，不易被风吹动或被水冲走。因此，道砟材料要求坚硬、耐久、尖角，同时不受粉尘污染，并且需要一定合理级配，以保证足够的空隙率排水。不同国家根据其线路特点、母材资源分布等因素制订了一系列道砟标准等级，主要集中在道砟级配、抗磨耗、粗糙度和物理强度稳定性等指标上。
用作道砟的材料主要有碎石、天然级配卵石、筛选卵石、粗砂、中砂及熔炉矿渣等。道砟材料的选用应根据铁路运量、机车车辆轴重、行车速度，结合成本和就地取材等条件来决定。我国铁路干线上基本使用碎石道砟，在次要线路上才使用卵石道砟、炉渣道砟。以下仅介绍碎石道砟的技术要求。
现行的碎石道砟技术条件是2008年12月开始执行的，标准号为TB/T 2140—2008，代替TB/T 2140—1990《铁路碎石道砟》，技术条件包含道砟分级、道砟级配、道砟颗粒形状及清洁度三方面的内容。标准主要变化如下：修改了适用范围，也适用于合资铁路和地方铁路；增加了术语和定义，删除了二级道砟；增加了高速铁路和客运专线用特级道砟；增加了既有线一级碎石道砟粒径级配要求，将原一级碎石道砟粒径级配改为新建铁路一级碎石道砟粒径级配；对道砟集料压碎率指标值进行适当调整；对道砟运输贮存提出了更为严格的要求，保证出场上道道砟的级配符合本标准的相关要求。
1.道砟分级
碎石道砟的技术参数有反映道砟材质的材质参数，如抗磨耗、抗冲击、抗压碎、渗水、抗风化、抗大气腐蚀等材料指标参数，为道砟材质的分级提供依据；反映道砟加工质量的质量参数，如道砟粒径、级配、颗粒形状、表面状态、清洁度等加工指标。表3—1为道砟材质的分级指标。我国铁路有砟道床的碎石道床材料应符合国家现行标准《铁路碎石道砟》（TB/T 2140—2008）和《铁路碎石道床底砟》（TB/T 2897）的规定。目前，客运专线的特级道砟相关技术要求执行《350km/h客运专线特级碎石道砟暂行技术条件》（铁科技〔2004〕120号）。高速客运专线铁路轨道的碎石道床应采用特级道砟，Ⅰ、Ⅱ级铁路轨道的碎石道床材料应采用一级道砟。铁路碎石道砟应符合以下技术要求。（1）道砟由开山块石破碎筛分而成，其中特级道砟颗粒表面全部为破碎面。（2）特级、一级道砟材质性能参数指标应符合表3—1的规定。表3—1 中国特级、一级道砟差异表
从世界主要国家道砟规范主要指标可以看出，即使在同一国家，道砟标准随着重载或者高速线路等级不同，也有所区别。同时国外铁路还存在底砟结构，比如10～15cm厚度，用来分隔道砟与路基层，一般利用道砟生成过程产生的边角料，粒径范围一般从4.75mm到25mm，能有效阻挡路基材料进入道砟层，防止道砟翻浆冒泥情况发生。道砟强度以及耐久性随着列车速度等级提高相应提高，如中国道砟规范见表3—1。
2.道砟级配
碎石道砟属于散粒体，其级配是指道砟中颗粒的分布。道砟粒径的级配对道床的物理力学性能、养护维修工作量有重要影响。道砟级配必须满足两个基本要求：快速排水高渗透性和道床弹性，有效地传播列车荷载分布。现行标准考虑道砟的级配要求，可保证道砟产品有最佳的颗粒组成。宽级配道砟由于道砟平均粒径的减小，大、小颗粒的相互配合以及道砟颗粒之间的填满，使得道砟有更高强度和稳定性，也有利于道床作业。不同国家、线路条件、等级，道砟级配不同，我国现行特级道砟、一级道砟级配标准见表3—2、表3—3，级配曲线见图3—2、图3—3。表3—2 特级道砟粒径级配注：检验用方孔筛系指金属丝编织的标准方孔筛。表3—3 一级道砟粒径级配表注：检验用方孔筛系指金属丝编织的标准方孔筛。图3—2 特级道砟粒径级配图3—3 一级道砟粒径级配
既有线大修、维修用一级碎石道砟粒径级配应符合表3—4的规定，级配曲线如图3—4所示。从该级配曲线可以看出，其最小道砟粒径相对于新建线路粒径较大，原因在于既有线路经过列车运营后，道砟颗粒破碎、磨耗等导致道床道砟颗粒平均粒径减小，为保持道砟良好承载力以及透水性，既有线一级道砟级配曲线粒径起始点有所增大。表3—4 既有线一级碎石道砟粒径级配注：检验用方孔筛系指金属丝编织的标准方孔筛。图3—4 既有线一级碎石道砟粒径级配
3.道砟颗粒形状及清洁度
道砟的形状及表面状态对道床的性能有重要影响。一般而言，棱角分明、表面粗糙的颗粒集料具有较高的强度和稳定性。近于立方体的颗粒比扁平、长条形颗粒有较高的抗破碎、抗变形、抗粉化能力。一般用针状指数和片状指数来控制长条形和扁平颗粒的含量。凡长度大于该颗粒平均粒径1.8倍的称为针状颗粒；厚度小于平均粒径0.6倍的称为片状颗粒。
道砟中的土团、粉末或其他杂质对道床的承载能力是有害的，须控制其数量。土团是指那些泡水后出现软化、丧失其强度的颗粒。粉末会脏污道床，加速道床的板结，影响道床的排水。标准规定黏土团及其他杂质含量的重量百分率不大于0.5％。以下为道砟颗粒形状及清洁度指标。（1）道砟的针状指数不大于20％，片状指数不大于20％。（2）特级道砟中风化颗粒和其他杂石含量不应大于2％，一级道砟中风化颗粒和其他杂石含量不应大于5％。（3）道砟产品须水洗，其颗粒表面清洁度不应大于0.17％。（4）未经水洗的一级道砟中粒径0.1mm以下粉末的含量不应大于1％。
4.道床横向阻力
道砟级配、粒径、空隙率的优化反映在道砟道床整体上，就是道砟道床纵横向道床阻力、支撑刚度、密实度相应提升，见表3—5。轨枕道床纵向或者横向阻力系指道床抵抗轨道框架纵向或横向位移的阻力，一般以每根轨枕的阻力R或每延米分布阻力r来表示。这些是抵抗钢轨伸缩、防止线路爬行、跑道的重要参数。道床纵向、横向阻力受道砟材质、颗粒级配、道床密度、道床断面、捣固质量、脏污程度、轨道框架重量等因素的影响。列车在通过曲线线路时，将列车横向力传递到轨道结构上，进而传递到道床，在夏季高温无缝线路条件下，过大轨道纵向温度力容易引起轨道跑道，因此必须保持一定的轨枕道床横向阻力，保障无缝线路安全性和稳定性。表3—5 道床状态参数指标（平均值）注：（1）表中括号内数字为开通速度80km/h的参数指标；（2）既有铁路改建采用Ⅱ型枕且120km/h 道床抵抗轨道框架纵向、横向位移的阻力由轨枕与道床之间的摩阻力和枕木盒内道砟抗推力共同组成。轨枕道床纵向、横向阻力一般通过轨枕位移法测量，通过推动单根轨枕位移，记录千斤顶推力。轨枕道床阻力值随位移的增大而增加，当位移达到一定值之后，轨枕盒内道砟颗粒之间的结合被破坏，此时即使轨枕位移再增加，阻力也不再增大；在正常轨道条件下，混凝土轨枕位移小于2mm、木枕位移小于1mm时，轨枕道床阻力呈线性增长，道床处于弹性工作范围，同时混凝土枕轨道道床纵向阻力明显大于木枕轨道。在无缝线路设计中，线路阻力取轨枕位移为2mm时相应道床纵向阻力值。另外需要注意的是，级配、道砟材质相同情况下，道床密度与轨枕道床阻力存在一定关系，有必要进行相关研究，进行二者互相判定。 5.道床系数C 道床系数C用来表征道床及路基的弹性特征，定义为使道床顶面产生单位下沉所需要施加于道床顶面单位面积上的压力，可通过式（3—1）计算：式中 C——道床系数（MPa/cm）； p——作用于道床顶面单位面积上的压力（MPa）；0 y ——轨枕底面的平均下沉量（cm）。 道床系数C的取值见表3—6。表3—6 道床系数值3.1.3 道砟道床断面 碎石道床断面包括道床厚度、顶面宽度及边坡坡度三个主要特征。图3—5为单线直线地段道床横断面示意图。其中A为顶面宽度、m为1边坡坡度、h 为道床厚度。图3—5 直线地段道床横断面示意图 1.道床厚度 道床厚度是指直线上钢轨或曲线上内轨中轴线下轨枕底面至路基顶面的距离。道床厚度与列车速度、轴重、道床弹性、道床脏污增长率、砟垫层承载能力、路基面承载能力有关。道床厚度应根据运营条件、轨道类型、路基土质确定。 道床弹性是由相互接触的道砟颗粒之间的弹性变形所引起的，通常情况下道床弹性与道床厚度成正比，并随道砟颗粒粒径的增大、道床空隙比的增加而增加。但是松散状态下的道床，在荷载作用下所产生的变形主要是结构变形，卸载后结构变形不能恢复，故新铺、清筛或作业后尚未密实的道床，尽管在列车荷载作用下变形很大，也并不能说明这种道砟有好的弹性。 在列车荷载作用下，道床厚度不够，导致道床弹性变差，其减振吸振的性能变差，比如在桥梁隧道地段，道砟道床侧向流塌。在运营条件相同情况下，道床粉碎、脏污加速，导致日常维修工作量加大、清筛周期缩短，因而要控制道床脏污增长率，维持一定的维修工作量和道床清筛周期，必须保证有足够的道床厚度。同时，当道床厚度较薄时，会在碎石与砂垫层的接触面上形成类似枕底的凹形滞水槽，这是由于碎石层太薄，轨枕荷载没有得到充分扩散，致使分布到垫砟层表面的压应力超过了垫砟层的承载能力，枕下部分的垫砟层表面应力最大，因而逐渐下沉，并形成排水能力差的滞水层，不利于轨道使用和稳定。 路基面允许工作应力主要取决于道床厚度，增加道床厚度是降低路基面应力的主要手段。 2.道床顶面宽度 道床顶面宽度与轨枕长度和道床肩宽有关。轨枕长度基本上是固定的，因此道床顶面宽度主要取决于道床肩宽。道床宽出轨枕两端的部分称为道床肩宽，适当的肩宽可保持道床的稳定，并提供一定的横向阻力。一般情况下道床肩宽在450～500mm已能满足要求，再宽则作用不大。 我国铁路规定单线铁路正线碎石道床顶面宽度见表3—7。双线碎石道床顶面宽度应分别按单线设计。无缝线路半径小于800m、非无缝线路半径小于600m曲线地段，曲线外侧碎石道床顶面宽度尚应增加0.10m。表3—7 单线碎石道床顶面宽度注：表中Ⅲ型混凝土枕系指长度为2.60m。当采用长度为2.50m的Ⅲ型混凝土枕时，道床肩宽不应小于长度为2.60m的Ⅲ型混凝土枕的道床肩宽。 3.道床边坡坡度 道床边坡坡度大小对保证道床的坚固稳定有十分重要的意义。道床边坡的稳定取决于道砟材料的内摩擦角与黏聚力，也与道床肩宽有一定的联系。理论计算及实践结果表明，道砟材料的内摩擦角愈大，黏聚力愈高，边坡的稳定性就愈高。同样地，增大肩宽可以容许采用较陡的边坡，而减小肩宽则必须采用较缓的边坡。例如，肩宽20cm、边坡坡度1∶2在保证边坡稳定性方面，与肩宽35cm、坡度1∶1.75和肩宽45cm、坡度1∶1.5具有相同的效果。 在肩部承载能力相同的情况下，一般采用较大的肩宽和较陡的边坡，因为这样可以减小路基面的宽度。但过陡的边坡也是不适宜的，因为边坡坡角受到散粒体自然坡角的限制和列车振动的影响。我国铁路规定正线区间道床边坡坡度均为1∶1.75，部分国家如欧盟采用坡度1∶1.5。无缝线路轨道砟肩应使用碎石道砟堆高15cm，堆高道砟的边坡坡度应采用1∶1.75。 4.砟肩 道床顶面轨枕外侧道砟为砟肩，砟肩形式、几何尺寸对无缝线路稳定性具有重要意义。 适当的道床肩宽可以提供较大的横向阻力，但并不等于肩宽愈大，横向阻力总会增大。轨枕端部的横向阻力是轨枕横移挤动道床肩部道砟棱体时的阻力。由图3—6可见，轨枕挤动道床，最终形成破裂面BC，且与轨枕端面的夹角为45°+ф/2。滑动体的重量决定了横向阻力的大小，即在滑动体之外的道床对枕端横向阻力不起作用。滑动体的宽度b可用下式计算： b=Htan（45°+ф/2） （3—2）式中 H——轨枕端埋入道床的深度； ф——摩擦角，一般ф=35°～50°。图3—6 枕端道床破裂示意图 对于混凝土轨枕结构，若取H=228mm，ф=38°，则 道床肩部堆高石砟会加大滑动体的重量，是提高道床横向阻力最经济有效的方法。提高道床横向阻力，肩部堆高比肩部加宽效果更明显，且有利于节约道砟。3.1.4 底砟 底砟是铁路碎石道床的重要组成部分，位于碎石道床道砟层和路基基床表层之间，起着传递、分布列车荷载，防止面砟和路基基床表层颗粒之间的相互渗透，以及渗水过渡和防冻保温等作用。底砟在我国铁路应用比较少，相对较为陌生。 国外铁路认为底砟有两个功能，即过滤和排水，并设定一些技术条件满足这两个功能（Selig，1994），如粒径与级配，来满足隔离和过滤双重功能。底砟在整体刚度、成本上均小于道砟，使用底砟一方面能使道床应力继续扩散，如接触应力小于底砟允许应力，另一方面底砟造价低，因此国内铁路专家认为底砟有以下主要功能。（1）传递、扩散轨枕荷载，减振、隔振和降低噪声。（2）隔温和防止路基冻害。（3）防止碎石道床面砟颗粒和路基土的相互渗混。（4）防止瀑雨时地表水对路基面的冲刷和地下水的上渗。 技术要求如下：底砟材料可取自天然沙砾材料，也可用开山块石或天然卵石、砾石破碎筛选而成。底砟材料的粒径级配应符合表3—8的规定，且0.5mm筛以下的细集料中通过0.075mm筛的颗粒含量应小于等于66％。在粒径大于16mm的粗颗粒中带有破碎面的颗粒所占的质量百分率不少于30％，粒径大于1.7mm的集料的洛杉矶磨耗率不大于50％，粒径大于1.7mm的集料的硫酸钠溶液浸泡损失率不大于12％，粒径小于0.5mm的细集料的液限不大于25％其塑性指数小于6％以及黏土团及其他杂质含量的质量百分率不大于0.5％。表3—8 底砟粒径级配 关于底砟结构几点说明。首先是底砟结构功能如先前所述，主要是满足隔离和过滤双重功能，但从结构本身上来讲，以上两个功能对底砟结构要求是矛盾的，因此需要更为详尽的对底砟结构进行隔离和过滤（排水性）研究，尤其是在反复循环荷载作用条件下，反映在底砟技术条件上就是不均匀系数等更为详细的规定。 其次新型底砟结构。近年来随着可持续发展和新材料的出现，传统底砟结构得到一定发展，如沥青底砟层、沥青橡胶层（废旧轮胎）、沥青底砟层与普通底砟层混合结构等。3.2道砟物理特性 道砟-轨枕散体接触具有几何复杂性、离散性与不均匀性，同时道砟、轨枕不同刚度体系匹配以及动静态力学接触复杂力学行为，因此对道砟道床物理特性有重要影响。比如颗粒质量影响道砟力学行为总体特征包括粒径分布（Particle Size Distribution，PSD）、空隙率（或散体密度）和含水率等。这些道砟散体特征将在下面逐一讨论。3.2.1 颗粒级配 道砟规范有必要设置道砟级配指标对道砟质量进行控制与保障。一般道砟规范中对道砟级配要求需要满足两方面指标，即良好道床阻力和排水性。良好的道砟级配就是在两者平衡基础上的妥协点，这个点根据各个国家自然和线路情况不同稍有不同。道砟道床需要足够的剪切强度，保证道床稳定性和降低道床变形，道砟颗粒需要很好混合；道砟需要满足较高透水性保证道床排水顺畅，因此道砟颗粒尽量单一。以上两者是矛盾的，又是统一的，需要兼顾，同时具体问题具体分析。 道砟颗粒级配（Particle Size Distribution，PSD）对道床变形有显著影响（Jeffs，1991；Selig，1994）。英国剑桥大学Brown（1989）教授通过一系列白云石三轴试验，道砟颗粒具有相似最大直径，但是级配从较好级配到均一粒径，结果表明，均一粒径道砟产生较大弹性剪切刚度，相反级配较好道砟颗粒产生较小沉降，与Raymond（1985）结果相似，后者认为这是由于较好级配道砟之间提供较大内部阻力和咬合力。较好级配道砟一般容易取得较高压实系数，因此有更高的剪切力，有利于延长道床寿命，降低维修周期和轨道沉降速度（Selig，Waters，1994）。Indraratna（2006）也进行一系列道砟三轴试验，结果与上述研究结果具有一致性。试验样本从均一粒径级配到级配较好过渡过程中，道砟样本轴向变形和体积应变逐渐减小，主要由于前者比较松散，容易压实，后者比较密实而且拥有较高配位数（接触点），因此产生较高抗剪切强度，进而降低沉降与变形。但实际上，与此同时，道床规定道砟系统必须满足一定排水性，而且这个排水性对道床寿命有至关重要的影响，因此道砟道床不可能有完美的较好级配，不能完全充实空隙。较好级配道砟道床由于空隙率较小，导致排水性降低，容易引起翻浆冒泥病害发生，尤其是翻浆冒泥材料来源于道砟颗粒本身的磨耗时，对道床稳定性和承载力是致命性的。 因此，理想道砟级配就是既能够满足道床排水性要求，同时提供足够的道床承载力和较小沉降。也有相关研究者发现，改变道砟道床级配后，道砟道床维修周期延长了两年，结果暗示道砟级配对道床沉降和颗粒破裂有一定影响（Raymond，1985）。比如Indraratna（2006）研究表明，较好粒径级配道砟样本，同均一粒径级配样本相比，产生的颗粒破碎量较少，破碎量与道砟级配不均匀系数Cu成反比。不均匀系数是限制粒径与有效粒径的比值，是反映组成道砟颗粒均匀程度的一个指标。不均匀系数一般大于1，越接近于1，表明道砟颗粒越均匀。因此道砟级配研究需要根据线路运量、速度、环境、道砟强度以及维修技术等不同条件进行研究与优化。3.2.2 空隙率 多孔介质（如土壤和岩石集合体）中的空洞体积与固体体积之比即空隙率，其显著影响道砟力学性能（Terzaghi，1948；Roscoe，1958；Roscoe，1963；Schofield，1968；Indraratna，1997）。道砟及其他散体材料研究专家普遍认为，散体材料较小的空隙率能产生较大的剪切强度，较小沉降。Oda（1977）认为道床密度增加会提高道床阻力和稳定性。这也是道床捣固维修后，需要进行限速碾压和动力稳定作业，压实道砟道床恢复道床稳定性和承载力的原因。Selig和Waters（1994）认为较小散体道床密度引起较大道床沉降塑性变形，可以通过压实或者采用较好级配道砟降低空隙率。但是过分压实的道床，容易增加道砟破裂的风险性，也不利于排水。3.2.3 含水率 含水率是指道砟散体中含水程度。道砟对外部力学响应会随含水率增大而受到不利影响，如导致道床阻力（道床散体剪切强度）降低，进而影响道床稳定性。道砟道床含水状态力学特性与道砟颗粒老化程度、脏污、道砟粒径与级配有关系。同时含水率影响轨道沉降和颗粒破损，也可能导致排水性问题。尤其是在饱和情况下，路基土软化和水混合形成泥浆，在循环荷载下被抽至道砟层，形成翻浆冒泥，这是道砟道床脏污和承载力降低的主要原因之一，其中粉末和水存在是不可或缺的重要因素（Selig，1994；Indraratna，2002）。一般认为是水和脏污粉末共同构成道砟颗粒接触润滑表面，降低颗粒之间剪切强度，增强道砟颗粒之间滑移与相对位移，进而降低道砟散体剪切强度与道床阻力。Sowers（1965）解释说，水进入颗粒接触点之间微裂缝增加局部应力，导致颗粒破碎增加。Indraratna（1997）进行了二维压缩试验研究含水率对道砟散体变形和老化影响，他们观察到由于水的存在，导致道砟散体沉降突然增加约2.6mm（图3—7），并且沉降在饱和条件下随着时间推移进一步增加（蠕变）。他们得出结论认为，沉降在道砟含水饱和情况下比干燥道砟增加约40％。图3—7 含水率对道砟沉降影响（Indraratna，etal.，1997）3.3荷载影响因素 外部荷载特性对道砟道床的变形和老化行为起着至关重要的影响。围压的大小、荷载历史、当前的压力状态、荷载次数、加载频率和幅值是影响轨道变形的关键参数。以下将讨论这些荷载变量的影响。3.3.1 围压 众多铁路方面研究者包括Bishop（1966）、Charles&Watts（1980）和Indraratna（1998）都认为道床横向约束增强，即道床围压加大，有利于道砟道床承载力提升和刚度增大。Lackenby和Indraratna（2007）通过一系列高频动三轴试验分析了围压和主应力幅值对道床变形（永久变形和弹性变形）和道砟破碎的影响。试验发现，对于所考虑的主应力，都有一个“最优”的围压范围存在，在这个范围内，道床破碎率最低。故建议增加轨道横向压力以抵抗列车动荷载作用产生的轴向作用。井国庆（2009）离散单元法仿真也发现，道砟围压提高有利于降低道床沉降，增强道砟平均接触力，降低最大接触力。3.3.2 荷载历史 荷载历史对道砟散体影响研究，得出结论不太一致（Indraratna，2007）。Diyaljee（1987）在实验室进行了一系列循环测试研究应力历史对道砟力学行为影响。在每次测试中，他通过改变循环荷载偏应力（70～315kPa），对每个阶段加载10000次循环，使用相同道砟样本（相同粒径分布、密度和约束条件），发现T3和T4这两个样本[图3—8（a）]在第2阶段荷载（140kPa）作用下变形，与没有任何先前应力历史样本T5和T6在第1阶段相同荷载（140kPa）作用情况下几乎相同，而样本T3和T4在第1阶段循环荷载有过一个70kPa应力历史。第1阶段荷载幅值是第2阶段幅值50％，而这对于发生在第2阶段加载过程中积累塑性变形几乎可以忽略不计。样本T4和T9[图3—8（b）]最大荷载历史为210kPa，在245kPa循环应力作用下出现一非常小的塑性应变增加。
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