鐵路有砟道床力學特性及劣化機理研究.pdf

1、鐵路有砟軌道是我國最主要的軌道結構形式之一，相比于無砟軌道，有砟軌道具有造價低廉、易于維修、在不良地質條件下、極端氣候條件下適應性強等不可替代的優(yōu)勢。有砟軌道主要由一定級配的碎石道砟組成，在循環(huán)荷載作用下，碎石道砟顆粒會不斷發(fā)生破碎、粉化以及外部粉塵入侵等現(xiàn)象，這將逐漸引起道床力學性能的退化。而道床力學性能一旦退化，就會引發(fā)道床力學性能的下降，產生道床縱向剛度不均勻分布，甚至軌道斷面的幾何形位失穩(wěn)。如不能及時進行養(yǎng)護維修，就會導致線路不

2、平順的產生，威脅列車的行車安全。
　　然而，由于組成散體道床的碎石道砟顆粒具有顆粒形狀千差萬別的特點，且道砟顆粒的形狀、道砟集料的級配等細觀因素會顯著影響散體道床的力學性能，這使得散體道床在循環(huán)荷載作用下的力學行為極其復雜。但由于傳統(tǒng)的研究手段難以精細化的考慮道砟顆粒的復雜外形，從而制約了散體道床相互作用及劣化機理的研究。針對這一不足，本文基于真實道砟顆粒外形三維重建的方法建立了精細化道砟顆粒離散單元數(shù)值模型，并采用室內試驗與數(shù)值

3、仿真相結合的手段，從細觀、宏觀相結合的角度對散體道床的劣化行為以及與結構間的相互作用機理進行了研究，本文的主要研究工作匯總如下:
　　1.道砟顆粒復雜外形的三維重建及基于相似度算法的典型道砟顆粒的遴選
　　建立了雙平面鏡視覺交匯還原算法與三維激光掃描法相結合的道砟顆粒外形三維重建平臺，對復雜道砟顆粒外形進行了精確的獲取;提出了道砟顆粒細觀形狀特征的精確量化方法以及基于歸一化鏈碼傅里葉描述子的形狀差異度分析方法。以此為基礎，基

4、于大量道砟顆粒樣本的分析結果，遴選了具有代表性的典型道砟顆粒，為散體道床數(shù)值仿真模型的建立提供了依據(jù)。
　　2.精細化道砟顆粒離散單元數(shù)值模型的構建及修正
　　提出了基于道砟顆粒三維外形重建結果的組合球單元重構方法，為道砟顆粒離散單元數(shù)值模型的建立提供了幾何基礎;提出了組合顆粒單元重疊質量及慣性矩的修正算法，以此對組合顆粒單元的本構力學模型進行了修正，并在此基礎上建立了精細化道砟顆粒離散單元數(shù)值仿真模型。
　　3.道砟

5、顆粒的磨耗機理研究
　　提出了基于真實外形的可破碎道砟顆粒離散單元數(shù)值模型的構建方法。并采用室內試驗與數(shù)值仿真相結合的方法，從細觀角度研究了顆粒外形對道砟磨耗性能的影響規(guī)律，并揭示了道砟顆粒粉化對散體道床的影響規(guī)律。
　　4.道砟顆粒間相互作用及劣化機理研究
　　研發(fā)了大型道砟剪切強度測定裝置，探究了風沙入侵及常規(guī)道床臟污對散體道床剪切力學性能的影響規(guī)律。研究建立了相關數(shù)值模型，揭示了道床臟污及級配降級對散體道床剪切力

6、學性能的影響，并在此基礎上提出了能考慮不同線路條件及臟污材料力學特性的道床臟污評估指標。
　　5.散體道床在循環(huán)荷載作用下沉降力學特性研究
　　研究建立了雙軸循環(huán)荷載道砟箱離散元數(shù)值模型，并設計了室內實驗對數(shù)值模型進行了驗證及參數(shù)標定。以此對不同線路條件下散體道床在循環(huán)荷載作用下的力學行為進行了研究，揭示了在循環(huán)荷載作用下散體道床的沉降力學機理。對已有道床沉降理論進行了分析，并在此基礎上提出了更為優(yōu)化的道床沉降預測公式。

7、r>　　6.基于離散元有限差分法耦合的散體道床與下部基礎荷載傳遞規(guī)律研究
　　將離散元-有限差分耦合算法引入鐵路有砟道床結構的力學分析中。分別采用離散元法對散體道床進行了模擬;采用有限差分法對連續(xù)介質的軌枕及軌下基礎進行仿真。建立了基于三角形有限單元的離散單元法、有限差分法耦合過渡層本構力學模型，并通過對多種軟件進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了離散元、有限元、有限差分三種方法的耦合;針對高速及重載兩種不同線路條件下散體道床及軌下基礎的力學傳遞