The effect of vibration on ballast beds

Abstract

The Paper describes the effect of vibration on the stability of a bed of ballast, the material being crushed limestone in a nominal 19 mm single size grading. Stability is assessed by measuring the settlement of a plate placed on the surface when subjected to several cycles of sustained load. Tests on a vibrating table show that significant changes can be produced by vibration. An initially loose ballast bed is noticeably stabilized by vibration in which α> 1 (a being the ratio of peak table acceleration to that of gravity). A bed which has previously been well stabilized by many cycles of sustained load is modified by such vibration, into a structure which is indistinguishable from that resulting from vibration of an initially loose ballast bed. When vibration is applied at a loading platen placed on the surface of a bed previously stabilized by many cycles of sustained load, a resonant frequency is found, at which a small exciting force produces a fast continuous penetration of the platen into the surface. For vibration frequencies below resonance, two modes of behaviour are observed. With a small vibrating force, the settlement is slow, but as the vibrating force is increased such that α> 1, fluidization of the ballast and rapid penetration are produced. The vibrating force used for all of the tests with frequencies above resonance is sufficient to cause fluidization, and fast penetration only is observed. In all cases the ballast, when tested by application of cycles of sustained load, is found to have been further stabilized by the vibration. L'article décrit les effets des vibrations sur la stabilité d'un lit de ballast; le matériau en question est du calcaire concassé suivant une granulométrie unique nominale de 19 mm. La stabilité est évaluée en mesurant le tassement d'une plaque placée sur la surface lorsque celle-ci est soumise à plusieurs cycles de chargement de longue durée. Des essais sur plaque vibrante montrent que les vibrations peuvent entraîner d'importantes modifications. Un lit de ballast, meuble à l'origine, est sensiblement stabilisé par les vibrations pour lesquelles a<1 (α étant le rapport de l'accélération maximum de la plaque et de celle due à la pesanteur). Un lit bien stabilisé au préalable par de nombreux cycles de chargement de longue durée est modifié par te telles vibrations de manière à former une structure que l'on ne peut distinguer de celle qui résulte des vibrations d'un lit de ballast meuble à l'origine. Lorsque des vibrations sont appliquées à une plaque de chargement placée sur la surface d'un ht stabilisé au préalable par de nombreux cycles de chargement de longue durée, on trouve une fréquence de résonance pour laquelle une faible force d'excitation provoque une pénétration rapide et continue de la surface par la plaque. Pour des fréquences de vibrations en dessous de la fréquence de résonance, on observe deux modes de comportement. Dans le cas d'une faible force de vibration, le tassement est lent, mais lorsque la force de vibration augmente de manière à ce que &lpha < 1, il se produit une fiuidification du ballast et une pénétration rapide. La force de vibration utilisée lors de tous les essais à des fréquences supérieures à la fréquence de résonance suffit à entraîner la fiuidification, et l'on n'observe qu'une pénétration rapide. Dans tous les cas, lorsqu'il est soumis a plusieurs cycles de chargement de longue durée, on constate une stabilisation accrue du ballast par les vibrations.