2.2 道床的电磁波传播参数
2.2.1 道床的成分
道床材料由石砟组成。石砟的母岩主要有花岗岩和石灰岩。干净的道床由石砟、孔隙组成。道床在较松散阶段，孔隙率约为32％～34％，在相对稳定阶段，孔隙率约为24％。碎石道砟粒径级配见表2.4，道砟级配曲线如图2.2所示。
表2.4 道砟粒径级配
2.2.2 道床的脏污指标
当道床受到污染后，它就由多相介质组成或者说多种成分的物质组成，如图2.3所示。干净道砟空隙没有充填；中等脏污道砟是部分空隙被细颗粒物质充填；严重脏污道砟的空隙几乎全部被细颗粒物质充填。
Selig和Waters（1994）提出两种表达石砟脏污的指标。
（1）脏污指数（fouling index）：表示石砟样品通过4号筛（4.75mm）质量的百分数加上通过200号筛（0.075mm）质量的百分数。
图2.2 道砟级配曲线
图2.3 干净道床和脏污道床的物质成分
FI=P4+P200 （2.1）
（2）脏污的百分数（percentage of fouling）：通过9.5mm（3/8 in）筛孔颗粒的干质量与总样品干质量的比值。图2.4表示干净石砟和脏污石砟的颗粒分布。
图2.4 干净和脏污的花岗岩石砟级配曲线（Selig等，1984）
干净石砟样品通过200号筛（0.075mm）质量的百分数为1.5％，计算的脏污指数是6.9，而脏污石砟样品通过200号筛质量的百分数是14.0％，计算的脏污指数是45.7，脏污的百分数接近38％。
随着石砟脏污指数的提高，石砟水力传导率显著减小。Selig等人（1993）考虑了石砟脏污程度对石砟透水性的影响，提出了石砟水力传导率的大小与石砟脏污等级的关系，见表2.5。
表2.5 石砟脏污等级与脏污指数和水力传导率之间的关系（Selig等，1993）
我国道床不洁率是指通过边长25mm筛孔的颗粒的质量比，即道床不洁率是通过边长25mm筛孔的颗粒的质量与总样品质量的比。初始脏污率一般不大于5％。石灰岩道砟的道床，脏污率达到20％时即开始板结，达到30％时将全部板结。因此，《铁路线路修理规则》规定，道床不洁率不大于25％，要求在枕盒底边向下100mm处取样。
2.2.3 道床脏污与介电常数的关系
道床由石砟、孔隙和脏污以及水组成。干净的道床主要由石砟、孔隙组成。干燥脏污道床由石砟、孔隙和脏污组成。道床的介电常数是固体、气体和液体三态的混合介电常数，可以采用混合介电常数模型。
线性模型 ε=θsεs+θaεa+θfεf+θwεw （2.2）
式中 εs，εa，εf，εw——石砟、空气、脏污物、水的介电常数；
θs，θa，θf，θw——石砟、空气、脏污物、水的容积比例系数。
显然 θs+θa+θf+θw=1 （2.4）
花岗岩的介电常数小于石灰岩的介电常数，所以花岗岩石砟的介电常数小于石灰岩石砟的介电常数。当石砟的密实度增加时，道床的介电常数增大，但是其介电常数增大的幅度很小。当含水量增加时，道床的介电常数增大，幅度变化较大，见表2.6。大多数石砟的介电常数随着脏污水平和含水量的提高而增大，见表2.7。
英国Edinburgh大学Bold（2011）试验得出干净石砟的平均介电常数为5.25，混合石砟介电常数为5.73，脏污石砟的介电常数为5.99。
Illinois大学（Urbana⁃Champaign）LENG和AL⁃QADI（2009）在石灰岩和花岗岩石砟中加入黏土来模拟石砟的脏污水平。石砟的脏污水平是指加入的黏土所占石砟孔隙体积的百分数。最大密度时，花岗岩石砟的孔隙率为36.3％，石灰岩石砟的孔隙率为37.8％，石砟粒径为63.5mm。对两类石砟材料，石砟的介电常数与石砟的脏污水平之间的关系如图2.5所示，可以看出存在着很强的线性关系。
表2.6 道床的固体、气体和液体混合体有效介电常数
表2.7 国外测出的道砟介电常数和电磁波速度
图2.5 石砟的介电常数与石砟的脏污水平之间的关系（Lenganel Al⁃Qadi，2009）
加拿大Rail RadarTM公司Keogh和Mesher（2006）经过模拟、室内实验和野外试验认为常规石砟材料的电磁波速度比新石砟材料的电磁波速度低20％～30％（0.025～0.04m/ns）。如果能确定可接受石砟污染程度（在这个污染程度上不需要清筛，再严重一点就需要清筛），根据可接受石砟污染程度的介电常数或电磁波速度来判断石砟污染情况，认为新石砟的电磁波速度为0.13m/ns，介电常数是5。
根据以上研究，如果测得石砟的介电常数或电磁波速度，就可以根据石砟的介电常数或电磁波速度判断石砟的污染程度。
对西户线马王车站试验场地花岗岩石砟块测试，介电常数为3.75。如果按干净石砟，空隙率25％，道床的介电常数为3.0。在试验时，可以看到石砟中残留了部分土，用探地雷达资料反算出的介电常数为4.0。
石砟是透水材料，即使下雨，透水的石砟含水量都比较低，介电常数并不高，按湿的花岗岩计算，介电常数最高为7.0。但是石砟脏污后，尤其是达到板结程度，透水性极差，介电常数较高，如果下雨积水时测试，介电常数就非常高。阳安线用介电常数—电导率测试仪对正在清筛的石砟进行了测试，脏污道床介电常数为5.9，导电率为0.0025s/m；含泥脏石砟（图2.6）的介电常数为15.25，导电率为0.0094s/m。因此，建议干燥的脏污道床介电常数大于6.1，电磁波速度为0.12m/ns。
图2.6 阳安线含泥很高的脏污石砟
AL⁃QAD还提出了一种方法，认为道床表层10cm以内的石砟一般是干净石砟，计算枕底5cm处的Hilbert振幅和枕底15cm处的振幅。若枕底15cm处的平均振幅相对于5cm处平均振幅衰减大于5DB，说明道床明显脏污。衰减大于15DB，脏污指数大于100。这种方法与《铁路线路修理规则》的规定基本一致，但对于道床明显脏污时的介电常数和振幅衰减值有待于今后验证。