鐵路有砟道床力學(xué)特性及劣化機(jī)理研究.pdf

1、鐵路有砟軌道是我國(guó)最主要的軌道結(jié)構(gòu)形式之一，相比于無(wú)砟軌道，有砟軌道具有造價(jià)低廉、易于維修、在不良地質(zhì)條件下、極端氣候條件下適應(yīng)性強(qiáng)等不可替代的優(yōu)勢(shì)。有砟軌道主要由一定級(jí)配的碎石道砟組成，在循環(huán)荷載作用下，碎石道砟顆粒會(huì)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(xué)性能的退化。而道床力學(xué)性能一旦退化，就會(huì)引發(fā)道床力學(xué)性能的下降，產(chǎn)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(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修，就會(huì)導(dǎo)致線路不

2、平順的產(chǎn)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(wàn)別的特點(diǎn)，且道砟顆粒的形狀、道砟集料的級(jí)配等細(xì)觀因素會(huì)顯著影響散體道床的力學(xué)性能，這使得散體道床在循環(huán)荷載作用下的力學(xué)行為極其復(fù)雜。但由于傳統(tǒng)的研究手段難以精細(xì)化的考慮道砟顆粒的復(fù)雜外形，從而制約了散體道床相互作用及劣化機(jī)理的研究。針對(duì)這一不足，本文基于真實(shí)道砟顆粒外形三維重建的方法建立了精細(xì)化道砟顆粒離散單元數(shù)值模型，并采用室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值

3、仿真相結(jié)合的手段，從細(xì)觀、宏觀相結(jié)合的角度對(duì)散體道床的劣化行為以及與結(jié)構(gòu)間的相互作用機(jī)理進(jìn)行了研究，本文的主要研究工作匯總?cè)缦?
　　1.道砟顆粒復(fù)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(jué)交匯還原算法與三維激光掃描法相結(jié)合的道砟顆粒外形三維重建平臺(tái)，對(duì)復(fù)雜道砟顆粒外形進(jìn)行了精確的獲取;提出了道砟顆粒細(xì)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(chǔ)，基

4、于大量道砟顆粒樣本的分析結(jié)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(xì)化道砟顆粒離散單元數(shù)值模型的構(gòu)建及修正
　　提出了基于道砟顆粒三維外形重建結(jié)果的組合球單元重構(gòu)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(chǔ);提出了組合顆粒單元重疊質(zhì)量及慣性矩的修正算法，以此對(duì)組合顆粒單元的本構(gòu)力學(xué)模型進(jìn)行了修正，并在此基礎(chǔ)上建立了精細(xì)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(jī)理研究
　　提出了基于真實(shí)外形的可破碎道砟顆粒離散單元數(shù)值模型的構(gòu)建方法。并采用室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，從細(xì)觀角度研究了顆粒外形對(duì)道砟磨耗性能的影響規(guī)律，并揭示了道砟顆粒粉化對(duì)散體道床的影響規(guī)律。
　　4.道砟顆粒間相互作用及劣化機(jī)理研究
　　研發(fā)了大型道砟剪切強(qiáng)度測(cè)定裝置，探究了風(fēng)沙入侵及常規(guī)道床臟污對(duì)散體道床剪切力學(xué)性能的影響規(guī)律。研究建立了相關(guān)數(shù)值模型，揭示了道床臟污及級(jí)配降級(jí)對(duì)散體道床剪切力

6、學(xué)性能的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了能考慮不同線路條件及臟污材料力學(xué)特性的道床臟污評(píng)估指標(biāo)。
　　5.散體道床在循環(huán)荷載作用下沉降力學(xué)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(shè)計(jì)了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了驗(yàn)證及參數(shù)標(biāo)定。以此對(duì)不同線路條件下散體道床在循環(huán)荷載作用下的力學(xué)行為進(jìn)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(xué)機(jī)理。對(duì)已有道床沉降理論進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上提出了更為優(yōu)化的道床沉降預(yù)測(cè)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(chǔ)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(jié)構(gòu)的力學(xué)分析中。分別采用離散元法對(duì)散體道床進(jìn)行了模擬;采用有限差分法對(duì)連續(xù)介質(zhì)的軌枕及軌下基礎(chǔ)進(jìn)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(guò)渡層本構(gòu)力學(xué)模型，并通過(guò)對(duì)多種軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了離散元、有限元、有限差分三種方法的耦合;針對(duì)高速及重載兩種不同線路條件下散體道床及軌下基礎(chǔ)的力學(xué)傳遞