Transcript 鐵路工程Railroad Engineering

軌道(四)
承托系統--道渣
1

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：

Subballast
○ 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
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
○ 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
2
成功大學 郭振銘老師 攝
3

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
○
4




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
5

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
6
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。
7
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
8

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
9
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
10

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
11

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
12

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。
13
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 )
4
○
pa : 一般tie pressure 約為65 psi
 16.8 pa
h = f(pc, pa)
h  
○
pa = f (tie width, tie spacing, car weight, car speed) p
c

○

16.8Pa
ph  1.25
h
5


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
14

路基品質 (Coenraad Esveld, “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;
15

道渣斷面設計：(h, s, slope)
 厚度h, (textbook : 15-30 cm)
h = (16.8 pa/pc )0.8
pc : 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
用於一根枕木計算pa
作
 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
16
Source: Hay, William W., Railroad Engineering，John Wiley & Sons，1982
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
18