我发现手机客户端看图片可能不是很方便,所以在正文中再上传一下:
图片来源:Geology - rocks and minerals;Geology - rocks and minerals;Geology - rocks and minerals等,有修改。
注:石灰岩并不是非常理想的道砟原材,在我国已禁止使用。感谢 李小天 补充(知乎搜索出了好多“李小天”,我不知道是哪一个……大家可以去评论区找TA~)。
另外,道砟所用石头的一个重要参数就是它有多“圆”,即Roundness或Angularity。一般来说,棱角越多的石头之间的摩擦越强,越适合做铁路的道砟。
道砟的主要作用包括:
将枕木的压力分散到路基上;防止轨道爬行;吸收列车运行时的冲击;排水;方便养护。
下面逐一解释这些作用。
首先,列车的重力,经过钢轨、枕木、道砟传递到路基,枕木承受的压力是相当大的,而路基的强度往往不足以承受如此大的压力,因此需要道砟在其中分散枕木的压力,即通过增大作用面积,减小单位面积上的压力(即压强)。通过P=F/S的公式,可以看出,在压力一定的情况下,面积越大,压强越小。其中,P为压强,F为压力,S为作用面积。
第二,防止轨道爬行。在弯道上,轨道需要提供列车转弯所需的向心力,其反作用力会使轨道向外轨方向移动;在上坡路段,机车牵引力的反作用力会使轨道向山谷移动;在下坡路段,列车的制动力仍然会使轨道向山谷移动。通过使道砟包裹枕木,可以减少轨道的移动。
第三,吸收列车运行时的冲击。和汽车不同,火车运行时是钢制的车轮在钢制的轨道上滚动(Steel Wheel on Steel Rail),在经过钢轨接头时,或者由于车轮不是完美的圆形,会造成相当大的冲击,其对轨道的瞬时压力可以高达静态重量的两倍,并且没有橡胶用来吸收冲击。这样的瞬时冲击如果直接作用在路基上,会导致路基沉降、以及pumping(在不断重复的冲击下水溢出地表的现象,大家可以通过在潮湿的地面上不停地跺脚来模拟);如果直接反作用在轨道上,会导致扣件、钢轨甚至枕木折断。因此,需要相对“软”一点的道砟来吸收这种冲击。(这里的“软”是相对于钢轨和轨枕而言的,道砟其实一点也不“软”)。这一点也将会在我更新的答案中提到。
第四,排水。排水绝不仅仅是靠排水沟实现的,好的道砟对排水至关重要