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軌道 ( 四 ) 承托系統 -- 道渣. 鐵路工程 Railroad Engineering. 道渣 (Ballast) 目的:將透水性良好之骨材舖設於枕木附近,以提高軌道穩定性。 功能: 將枕木傳來之壓力分散傳佈至路基 抵抗垂直、縱向、側向力之作用。 迅速排離表面水 減低軌道下凍脹現象之破壞力 防止軌道上生長植物 吸收列車震動 ( 噪音 ) 方便調整軌道高程與線型. Subballast 與道渣層相同 偏重排水坡度 級配曲線,使道渣與路基粒料不發生混雜. 成功大學 郭振銘老師 攝. 道渣材料特性 石材種類 :

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鐵路工程 Railroad Engineering

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Railroad engineering

軌道(四)

承托系統--道渣

鐵路工程Railroad Engineering


Railroad engineering

  • 道渣 (Ballast)

    • 目的:將透水性良好之骨材舖設於枕木附近,以提高軌道穩定性。

    • 功能:

      • 將枕木傳來之壓力分散傳佈至路基

      • 抵抗垂直、縱向、側向力之作用。

      • 迅速排離表面水

      • 減低軌道下凍脹現象之破壞力

      • 防止軌道上生長植物

      • 吸收列車震動(噪音)

      • 方便調整軌道高程與線型

  • Subballast

    • 與道渣層相同

    • 偏重排水坡度

    • 級配曲線,使道渣與路基粒料不發生混雜


Railroad engineering

成功大學郭振銘老師攝


Railroad engineering

  • 道渣材料特性

    • 石材種類:

      • 碎石: 將花崗石、石灰石輾碎,最佳,3/4” - 7/2“

      • 碎爐石:環保、但有化學反應之虞(硫-腐蝕)

      • 礫石: 易取得,強度與耐久性稍差(大粒徑  抗剪力大,磨損率低,破碎率增加)

    • 級配 (gradation)

      • 粒徑要大  確保大孔隙、避免阻塞孔隙  孔隙水壓 降低接觸力  道渣強度下降

      • 粒徑不宜過大  避免軌枕固定或調整不易、軌枕晃動


Railroad engineering

  • 硬度

  • 磨損率

  • 形狀

  • 尺寸

  • 鋪渣

  • 整渣

  • 洗(篩)渣

  • 疲勞壽命

A typical diagram of the granulometric composition of a normal ballast according to the French Railways

Source: Profillidis, V. A., Railway Engineering, 2nd Edition, Ashgate Publishing Co., 2000


Railroad engineering

  • 孔隙率

    • 開放級配  孔隙多  利於排水

    • 孔隙塞滿  石材磨耗、路基唧水、或自然落塵

      • 當列車通過,孔隙水壓升高來不及消散  剪力強度下降  道渣或路基可能軟化  影響軌道線型

      • 當孔隙完全堵塞,行為被細粒料控制  發生軟化、沉陷、凍脹,完全喪失彈性與抗剪功能

    • BR:粒徑 > 28mm  確保孔隙夠大,不易塞滿


Railroad engineering

最佳粒徑大小

  • 粒徑下限=28mm  確保孔隙夠大

  • 粒徑上限=63mm 維持軌道線型

    • 石粒太大  軌枕不易放置或不穩定 (>100mm使軌枕搖晃rocking)

    • 在上下限內,級配曲線對剪力強度與磨損率影響較小,但要避免單一粒徑。

    • 道渣的級配必須利於未來的整渣維修工作

      • 粒徑>28mm  軌排抬高量 > 25mm才能達到整渣效果

      • 小粒徑道渣方便整渣,軌排稍微抬高就可整渣

        • 一般整渣叉多是為50mm左右粒徑之道渣設計,使用於小粒徑道渣之整渣效果不佳。


Railroad engineering

道渣規格

  • 規範岩石種類、抗磨損能力、粒料形狀、大小等

  • 剪力強度  縱向阻抗、側向阻抗

    • 粒徑均一粒料剪力強度 < 級配良好粒料

    • 道渣粒徑愈大,抗剪能力愈強,但每一顆石塊必須承擔較大力量而容易碎裂  粒徑不宜過大

    • 任一種單一粒徑的道渣強度都不如級配良好的道渣

  • 耐磨

    • 石材耐磨性  維持級配與孔隙的關鍵

    • 大粒徑石粒  相互接觸面積小,磨耗率低

    • 小粒徑石粒  內部節理瑕疵少,較不易碎裂

    • 花崗岩較易碎裂,石灰岩容易磨損


  • Railroad engineering

    • 風化

      • 一般風化:溶解、氧化、水化、碳化

      • 除石英等少數物質外,幾乎少有礦物質能免於風化。

        • 花崗石 (含鉀長石)  分解成高嶺土(黏土) 變質成軟脆性岩石 (多雨地區)

        • 橄欖石、斜輝石 (含鎂鐵礦物)  快速風化成綠泥石、蛇紋石

        • 道渣應避免使用經風化變質後之石材

      • 溶於雨水內的氧與二氧化碳,及土壤中的酸與有機物質,使岩石力學性質發生改變

      • 改變速度與環境中物質濃度、氣溫、及成分有關,如酸雨


    Railroad engineering

    道渣物性試驗 (以英國規範為例)

    • Wet Attrition Value Test (濕碎石抗磨損相對指標)

      • 兩個5公斤裝烘乾碎石料(37.5mm ~ 50mm)分別裝入裝有五公升水的圓筒型容器並蓋住

      • 以每分鐘30-33轉的速度翻轉圓筒10000次

      • 倒出碎石,烘乾並以2.36mm篩過濾。

      • wet attrition value=通過篩之細料重量/碎石料原來總重


    Railroad engineering

    • Flakiness and Elongation Tests

      • 扁平指數(flakiness index):短邊厚度小於其平均長度之0.6倍的所有粒料重量百分比

      • 細長指數(elongation index):長邊長度大於其平均長度之1.8倍之粒料重量百分比


    Railroad engineering

    • Aggregate crushing value

      • 石渣碎裂值:緩慢加載重量,抗破碎力之相對指標。

      • 14mm~10mm粒料烘乾後置於內徑154mm之鋼模內至125mm深。載重於10分鐘內緩慢增加至400kN。

      • 產生的碎裂細料通過2.36mm篩之重量百分比

    • Aggregate Impact Value Test

      • 石渣衝擊值:承受衝擊力,抗破碎能力之相對指標。

      • 14mm~10mm粒料烘乾後置於內徑102mm之鋼模內至50mm深。圓棒自50mm高度自由落下搗實25下。衝擊柱自試體表面上方380mm自由落下15次。

      • 產生的碎裂細料通過2.36mm篩之重量百分比


    Railroad engineering

    • Los Angles Abrasion Test

      • 洛杉磯磨損試驗:度量石渣經磨擦、衝擊等不同受力後之完整性。

        • 在裝有鋼珠之鋼製滾筒內進行

        • 內部葉片帶動粒料翻動落下形成衝擊

        • 粒料承受鋼珠研磨、衝擊碎裂等外力

        • 經1000轉後,粒料秤重並計算耗損重量百分比。


    Railroad engineering

    • 道渣支承壓力 (Talbot's equation):

      • Ph : pressure under the tie at depth h

        Pa : pressure at the bottom of the tie

      • 道渣將枕木下之應力分佈到路基之承載能力之內,必須設計足夠之h才能滿足此一設計要求

        • pc : bearing capacity of the subgrade ( 20 psi firm soil )

        • pa : 一般tie pressure 約為65 psi

      • h = f(pc, pa)

        • pa = f (tie width, tie spacing, car weight, car speed)

        • pc = f ( soil type, season, drainage,...)

      • 所有會影響枕木受壓狀況及路基強度的因素都會影響道渣厚度設計


    Railroad engineering

    • 路基品質 (CoenraadEsveld, “Modern Railway Track”)

      • min. bearing strength CBR>5% (EV2 > 35 MN/m2);

      • Compaction 97% Proctor;

      • Deviation from design subgrade profile < 10 mm;

    • 底渣品質

      • Min. bearing strength CBR>25%(EV2 >100MN/m2)

      • Compaction 100 % Proctor;

      • Deviation from design subgrade profile < 10 mm;


    Railroad engineering

    • 道渣斷面設計:(h, s, slope)

      • 厚度h, (textbook : 15-30 cm) h = (16.8 pa/pc )0.8pc: 強度試驗/安全係數(1-2)pa : 理論上為40% of axle load (60%分布於鄰枕)但考量不均勻支撐提高實際承載壓力全軸重 作用於一根枕木計算pa

      • 路肩, s (textbook : 40 cm)AREA建議 6 inch for normal , 12 in or above for heavy traffic

      • slope (textbook : 1.5 : 1 ~ 2 : 1) AREA : 2:1


    Railroad engineering

    Source: Hay, William W., Railroad Engineering,John Wiley & Sons,1982


    Railroad engineering

    整渣

    • 說明:將軌排抬高,整渣叉插入道渣中振動,使疏密不均的道渣重新平均分佈。

    • 現象:擾動原本緊密的石渣,成為相對鬆散狀態。道渣變形愈嚴重,整渣後就愈鬆散。

    • 影響:

      • 整渣後道渣所提供之側向阻抗極差

      • 列車通過整渣後之鬆散道渣,造成沉陷

    • 配套:

      • 整渣後立即人工夯壓軌枕周圍

      • 限制列車通行速度的,進一步壓實道渣


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