高速铁路散粒体道床宏细观力学行为的数值模拟与试验研究

摘要

相对于传统普速铁路，高速铁路散粒体道床承受着高密度、高速度的列车动荷载的作用，对道床累积变形及其服役状态带来不利影响，如控制不当将增加线路的养护维修工作量。为了掌握高速运营条件下散粒体道床的动态性能演变和累积变形规律，为高速铁路散粒体道床设计与养护维修提供理论指导，有必要针对我国高速铁路散粒体道床的结构和工作特征，从宏观和细观尺度深入研究散粒体道床的力学行为和劣化机理。鉴于此，本文通过开展实验室试验，并引入离散元数值方法，研究了高速铁路散粒体道床的宏细观力学行为。 论文在高速铁路道砟的细观尺度离散元建模研究方面，采用三维激光扫描仪高精度地提取并重构了高速铁路道砟的不规则几何形态，提出了能够模拟高速铁路道砟真实不规则几何形态的离散元建模方法。建立了高速铁路道砟几何形态和离散元模型数据库，编制了高速铁路道砟离散元自动建模程序。 在高速铁路道砟的宏细观力学行为研究方面，开展了道砟静态压碎实验和直剪实验，并进行了离散元模拟分析。通过测试静态压缩条件下道砟的荷载-位移响应，统计分析了高速铁路道砟的强度特征。采用黏结颗粒模拟了道砟的静态压碎行为，分析了道砟内部接触力链的演化与裂隙扩展过程，揭示了道砟静态压碎时的破碎机理。采用自制的大型道砟直剪实验仪，开展了高速铁路道砟的直剪实验，测试获得了高速铁路道砟的抗剪强度和剪切变形特性。建立离散元模型模拟了高速铁路道砟的直剪行为，标定了道砟的细观接触力学参数，并分析了直剪过程中道砟的接触力链分布、接触力各项异性演化以及道砟颗粒的运动趋势等细观力学行为。 在构建道砟细观尺度模型并获得道砟基础力学性能的基础上，通过二维和三维离散元模拟分析，深入研究了高速铁路散粒体道床的宏细观动态行为特征。建立高速铁路有砟轨道的二维离散元模型，模拟了高速列车轮轨力作用下散粒体道床的动态响应，定性分析了道砟接触力和道砟振动响应在线路纵向平面内的分布规律。进一步，采用具有真实几何形态的道砟离散元模型，建立了高速铁路散粒体道床的三维离散元模型。将车辆－轨道耦合动力学数值模拟得到的钢轨支点动压力施加到道床离散元模型中，模拟了高速列车动荷载作用下散粒体道床的宏细观动态力学行为。分析了高速行车条件下散粒体道床的动态响应特征，探明了行车速度对道床细观动态行为的影响，初步揭示了高速铁路散粒体道床状态劣化和稳定性降低的细观动态机制。模拟结果表明：随着行车速度的提高，道砟的垂向振动速度和加速度幅值以及砟肩区域的横向振动响应均显著增大，这可能会加剧道砟颗粒的磨损与破碎，加快道床的累积变形速率。在高速行车条件下，剧烈的道砟振动还会使得发生道砟飞溅的可能性增大，或导致道床松散、稳定性降低，甚至出现边坡失稳或道砟液化现象，有必要针对高速铁路散粒体道床采取相应的强化和防护措施。 为了研究道床在循环荷载作用下的变形和劣化行为，开展了高速铁路散粒体道床累积变形和道砟劣化的实尺模型试验研究。测试获得了 400万次高速铁路循环荷载作用下散粒体道床的累积变形规律，统计分析了高速铁路道砟的劣化行为。结果显示：试验中高速铁路有砟轨道的钢轨和轨枕沉降量均小于1mm，仅在循环荷载作用下，有砟轨道的沉降主要源于散粒体道床的累积变形；400 万次循环荷载作用后，82.5%的高速铁路道砟样本仍处于完好状态，没有出现明显的劣化现象，其它道砟样本主要发生颗粒局部棱角破碎、表面摩痕、表面裂纹和产生细小粒径的粉化颗粒等四类劣化现象，其中，道砟棱角破碎是最主要的劣化形式。 为了进一步分析高速铁路运输特征对道床累积变形规律的影响并揭示其细观机制，采用离散元方法模拟了循环简谐荷载和高速列车重复荷载作用下散粒体道床的累积变形行为。针对以往道床累积变形试验的加载频率过低，不能充分反映高速列车动荷载作用频率的问题，通过离散元分析探明了荷载作用频率对道床累积变形的影响规律及其细观机理，指出开展高速铁路散粒体道床的累积变形试验时，需要考虑荷载作用频率和间歇时间的影响。模拟结果表明：当循环荷载频率高于 15Hz以后，荷载频率和幅值对道床累积变形及其增长速率的影响是相互关联、相互叠加的，尤其当荷载频率超过 20Hz后，道床累积变形及增长速率急剧增大；开展高速铁路散粒体道床累积变形模型试验时，如果仅施加低频循环简谐荷载，将会显著低估道床的累积变形；建议室内试验时考虑高速列车动荷载作用频率和间歇时间的影响，将荷载频率设置为转向架固定轴距的通过频率，采用两个简谐荷载循环模拟一节车辆荷载，能够获得与高速列车动荷载作用接近的道床累积变形试验结果。

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