ارزیابی عددی رفتار مصالح بالاست مخلوط با خرده لاستیک با رویکرد اجزای مجزا در آزمون جعبه بالاست

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی، تهران، ایران

2 دانش آموخته کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

3 استاد، دانشکده مهندسی راه آهن، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

4 استاد، دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

10.22034/tri.2021.251099.2817

چکیده

مصالح بالاست نقش بسیار مهمی را در روسازی خطوط ریلی ایفا کرده که از جمله مهمترین آن ها، توزیع تنش های رسیده به لایه های زیرین و تامین ارتجاعیت و زهکشی مناسب می باشد. در عین حال یکی از مشکلات اصلی این مصالح، شکستگی تحت تاثیر بارهای عبوری دینامیکی و نیز عملیات زیرکوبی است که در طول زمان و به ویژه برای سنگ های با جنس ضعیفتر، منجر به آلودگی بالا و نیاز به نگهداری و تعمیر فراوان می گردد. یکی از راه حل های اثبات شده برای افزایش دوره عمر مصالح بالاست و کاهش مشکلات نگهداری ناشی از آن، افزودن درصد بهینه ای از خرده لاستیک به بالاست است که به ارتقای رفتار سایشی و دوام مصالح کمک شایانی نموده و موجب شکست کمتر دانه ها می گردد. در این مقاله به بررسی عددی رفتار مصالح بالاست مخلوط با خرده لاستیک به کمک شبیه سازی دو بعدی آزمون جعبه بالاست با رویکرد اجزای مجزا پرداخته شده است. به کمک این مدلسازی عددی در نرم افزار PFC که توسط مطالعه آزمایشگاهی واقعی آزمون جعبه بالاست اعتبار سنجی شده است، ارزیابی تاثیر افزایش بار محوری (سطوح مختلف تنش) و سرعت بهره برداری (فرکانس های مختلف بارگذاری) با انجام مطالعه پارامتری در محدوده درصد بهینه خرده لاستیک پیگیری شده است. بر این اساس، درصد بهینه اختلاط بین مصالح بالاست و خرده لاستیک در شرایط مختلف تنش و فرکانس تعیین شده است، نتایج نشان داد که سطح تنش تاثیر بسیار بالایی را بر نتایج دارد، این در حالی است که تاثیر فرکانس به مراتب پایین تر است. مطابق نتایج حاصل شده همچنین، 5 تا حداکثر 10 درصد وزنی خرده لاستیک به عنوان بهینه ترین درصد اختلاط هم از منظر نشست مصالح و هم از منظر شکست ذرات قابل پیشنهاد می باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Evaluation of the Behavior of Ballast-TDA Mixture in the Box Test Using Discrete Element Method

نویسندگان [English]

  • Masoud Fathali 1
  • Sina Argi 2
  • Morteza Esmaeili 3
  • Fereidoon MoghadasNejad 4
1 Assistant Professor, Road Housing & Urban Development Research Center, Tehran, Iran.
2 M.Sc., Grad., Department of Civil & Environmental Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran.
3 Professor, School of Railway Engineering, Iran University of Science & Technology, Tehran, Iran.
4 Professor, Department of Civil & Environmental Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Ballast materials play a very important role in rail tracks, the most important of which is the distribution of stresses to the bottom layers and the provision of proper elasticity and drainage. At the same time, one of the main problems of these materials is particles breakage due to dynamic transit loads as well as tamping operations, which over time, especially for weaker rocks, lead to high fouling and the need for frequent maintenance and repair. One of the proven solutions to increase the service life of ballast materials and reduce the maintenance problems caused by it, is to add an optimal percentage of TDA to the ballast, which helps to improve the abrasion behavior and durability of the material and causes less particles breakage. In this paper, the behavior of ballast materials mixed with TDA is numerically investigated using two-dimensional simulation of ballast box test with discrete element approach. Using this numerical modeling in PFC software, which has been validated by actual laboratory study of ballast box test, the effects of increasing axial load (different stress levels) and operating speed (different loading frequencies) are evaluated by performing a parametric study within the optimal percentage range. Based on this, the optimal mixing percentage between ballast and TDA materials in different stress and frequency conditions has been determined. The results showed that the stress level has a very high effect on the results, while the effect of frequency is much lower. According to the results, also 5 to a maximum of 10% by weight of TDA can be proposed as the optimal mixing percentage both in terms of settlement and particles breakage.

کلیدواژه‌ها [English]

  • railway
  • Ballast
  • TDA
  • breakage
  • discrete element method
-سازمان مدیریت و برنامه­ریزی کشور (1384)، "مشخصات فنی عمومی روسازی راه­آهن"، نشریه شماره 301، ایران.
-نصر آزادانی، م.، فتحعلی، م.، (1384)، "مصالح بالاست و تاثیر آن در فرآیند تعمیر و نگهداری خطوط ریلی"، سومین کنفرانس بین­المللی نگهداری و تعمیرات، تهران، ایران.‌
-Fathali, M., MoghadasNejad, F., Esmaeili, M., (2017), “Influence of tire-derived aggregates on the properties of railway ballast material”, Journal of materials in civil engineering, Vol. 29.
-Fathali, M., MoghadasNejad, F., Esmaeili, M., (2019), “Influence of tire-derived aggregates mixed with ballast on ground-borne vibrations”, Journal of Modern Transportation, Vol. 27.
-Fontserè, V., López Pita, A., Manzo, N., Ausilio, A., (2016), "NEOBALLAST: New High-performance and Long-lasting Ballast for Sustainable Railway Infrastructures", Transportation Research Procedia, Vol. 14.
-Ho, CL., Humphrey, D., Hyslip, J., Moorhead, W., (2013), "Use of recycled tire rubber to modify track substructure interaction", Transportation research board, annual meeting. Washington (DC), USA.
-Huang, H., Tutumluer, E., (2011), "Discrete Element Modeling for fouled railroad ballast", Construction and Building Materials 25 (8), pp.3306-3312.
-Indraratna, B., Salim, W., Rujikiatkamjorn, C., (2011), “Advanced Rail Geotechnology – Ballasted Track”, CRC Press, Taylor & Francis Group, London, UK.
-Indraratna, B., Tennakoon, N., Nimbalkar, S., Rujikiatkamjorn, C., (2013), “Behaviour of Clay-fouled Ballast under Drained Triaxial Testing”, Géotechnique, 63(5), pp.410-419.
-Indraratna, B., Thakur, P. K., Vinod, J. S., (2010), "Experimental and Numerical Study of Railway Ballast Behavior under Cyclic Loading", International Journal of Geomechanics, ASCE, 10(4),
pp.136-144.
-Itasca Consulting Group Inc., (2006), “Particle Flow Code in 2 Dimensions User's Guide”, Itasca Consulting Group Inc., Minneapolis, Minnesota.
-Jing, G.Q., Aela, P., Fu, H., (2017), “Numerical Analysis of Ballast-TDA Mixture under Cyclic Loading”, Proceedings of the inaugural World Transport Convention Beijing, China, June 4-6.
-Kennedy, J., Woodward, P.K., Medero, G., Banimahd, M., (2013), "Reducing railway track settlement using three-dimensional polyurethane polymer reinforcement of the ballast", Construction and Building Materials, Vol. 44.
-Saussine, G., Cholet, C., Gautier, P.E., Dubois, F., Bohatier, C., Moreau, J.J., (2006), "Modelling ballast behavior under dynamic loading", Part 1, Elsevier, Comput, Methods Appl. Mech. Engry., 195,
pp.2841-2859.
-Sol-Sanchez, M., Moreno-Navarro, F.,
Rubio-Gomez, MC, (2014), "Viability of using end-of life tire pads as under sleeper pads in railway, Construction and Building Materials, Vol. 64.
-Sol-Sánchez, M., Thom, N.H., Moreno-Navarro, F., Rubio-Gámez, M.C., Airey, G.D., (2015), "A study into the use of crumb rubber in railway ballast", Construction and Building Materials, Vol. 75.