鐵路工程 Railroad Engineering

1. 軌道(四) 承托系統--道渣 鐵路工程Railroad Engineering

2. 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

3. 成功大學郭振銘老師攝

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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。

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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。

14. 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

15. 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;

16. 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

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

18. 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