铁路有砟道床力学特性及劣化机理研究

摘要

铁路有砟轨道是我国最主要的轨道结构形式之一，相比于无砟轨道，有砟轨道具有造价低廉、易于维修、在不良地质条件下、极端气候条件下适应性强等不可替代的优势。有砟轨道主要由一定级配的碎石道砟组成，在循环荷载作用下，碎石道砟颗粒会不断发生破碎、粉化以及外部粉尘入侵等现象，这将逐渐引起道床力学性能的退化。而道床力学性能一旦退化，就会引发道床力学性能的下降，产生道床纵向刚度不均匀分布，甚至轨道断面的几何形位失稳。如不能及时进行养护维修，就会导致线路不平顺的产生，威胁列车的行车安全。
　　然而，由于组成散体道床的碎石道砟颗粒具有颗粒形状千差万别的特点，且道砟颗粒的形状、道砟集料的级配等细观因素会显著影响散体道床的力学性能，这使得散体道床在循环荷载作用下的力学行为极其复杂。但由于传统的研究手段难以精细化的考虑道砟颗粒的复杂外形，从而制约了散体道床相互作用及劣化机理的研究。针对这一不足，本文基于真实道砟颗粒外形三维重建的方法建立了精细化道砟颗粒离散单元数值模型，并采用室内试验与数值仿真相结合的手段，从细观、宏观相结合的角度对散体道床的劣化行为以及与结构间的相互作用机理进行了研究，本文的主要研究工作汇总如下:
　　1.道砟颗粒复杂外形的三维重建及基于相似度算法的典型道砟颗粒的遴选
　　建立了双平面镜视觉交汇还原算法与三维激光扫描法相结合的道砟颗粒外形三维重建平台，对复杂道砟颗粒外形进行了精确的获取;提出了道砟颗粒细观形状特征的精确量化方法以及基于归一化链码傅里叶描述子的形状差异度分析方法。以此为基础，基于大量道砟颗粒样本的分析结果，遴选了具有代表性的典型道砟颗粒，为散体道床数值仿真模型的建立提供了依据。
　　2.精细化道砟颗粒离散单元数值模型的构建及修正
　　提出了基于道砟颗粒三维外形重建结果的组合球单元重构方法，为道砟颗粒离散单元数值模型的建立提供了几何基础;提出了组合颗粒单元重叠质量及惯性矩的修正算法，以此对组合颗粒单元的本构力学模型进行了修正，并在此基础上建立了精细化道砟颗粒离散单元数值仿真模型。
　　3.道砟颗粒的磨耗机理研究
　　提出了基于真实外形的可破碎道砟颗粒离散单元数值模型的构建方法。并采用室内试验与数值仿真相结合的方法，从细观角度研究了颗粒外形对道砟磨耗性能的影响规律，并揭示了道砟颗粒粉化对散体道床的影响规律。
　　4.道砟颗粒间相互作用及劣化机理研究
　　研发了大型道砟剪切强度测定装置，探究了风沙入侵及常规道床脏污对散体道床剪切力学性能的影响规律。研究建立了相关数值模型，揭示了道床脏污及级配降级对散体道床剪切力学性能的影响，并在此基础上提出了能考虑不同线路条件及脏污材料力学特性的道床脏污评估指标。
　　5.散体道床在循环荷载作用下沉降力学特性研究
　　研究建立了双轴循环荷载道砟箱离散元数值模型，并设计了室内实验对数值模型进行了验证及参数标定。以此对不同线路条件下散体道床在循环荷载作用下的力学行为进行了研究，揭示了在循环荷载作用下散体道床的沉降力学机理。对已有道床沉降理论进行了分析，并在此基础上提出了更为优化的道床沉降预测公式。
　　6.基于离散元有限差分法耦合的散体道床与下部基础荷载传递规律研究
　　将离散元-有限差分耦合算法引入铁路有砟道床结构的力学分析中。分别采用离散元法对散体道床进行了模拟;采用有限差分法对连续介质的轨枕及轨下基础进行仿真。建立了基于三角形有限单元的离散单元法、有限差分法耦合过渡层本构力学模型，并通过对多种软件进行二次开发，实现了离散元、有限元、有限差分三种方法的耦合;针对高速及重载两种不同线路条件下散体道床及轨下基础的力学传递特性进行了深入分析，揭示了路基上散体道床在不同线路条件下的荷载传递机理。

目录

声明

致谢

摘要

1．1．研究背景

1．2．道砟颗粒数值模拟及形状分析方面的研究

1．2．1．道砟颗粒数值模拟方面的研究

1．2．2．道砟颗粒形状特征分析方面的研究

1．3．散体道床细观相互作用及劣化机理方面的研究

1．3．1．道砟颗粒破碎方面的研究

1．3．2．散体道床脏污方面的研究

1．3．3．散体道床沉降变形方面的研究

1．4．散体道床与下部基础间相互作用方面的研究

1．5．已有研究的不足之处

1．6．本文主要的研究内容及创新点

1．6．1．本文的主要研究内容及思路

1．6．2．本文的创新点

第2章 道砟颗粒的形状特征分析

2．1．复杂道砟颗粒外形的三维重建

2．1．1．基于双平面镜法的道砟颗粒三维重建

2．1．2．基于激光扫描法的道砟颗粒三维重建

2．2．颗粒形状相似度分析及典型道砟颗粒的精确模拟

2．2．1．复杂道砟颗粒外形的函数化方法

2．2．2．道砟颗粒形状相似度分析方法

2．2．3．典型道砟颗粒形状的分析

2．3．道砟颗粒形状特征的量化方法

2．3．1．道砟颗粒的针、片状系数

2．3．2．道砟颗粒的棱角系数

2．3．3．道砟颗粒形状特征的评价标准

2．4．本章小结

第3章 精细化道砟颗粒离散元模型的建立

3．1．离散元法综述及本文所采用的本构力学模型

3．1．1．离散元法综述

3．1．2．单元的接触本构模型

3．1．3．单元的运动方程

3．2．基于修正算法的精细化组合道砟颗粒单元的构建

3．2．1．组合道砟颗粒单元几何重构算法及程序设计

3．2．2．重构参数对重构结果的影响

3．2．3．道砟颗粒的重叠质量修正

3．2．4．组合道砟单元的运动方程

3．3．基于破坏准则的可破碎道砟颗粒数值单元的构建

3．3．1．可破碎道砟颗粒单元的几何构造方法

3．3．2．可破碎道砟颗粒单元的破坏准则

3．4．本章小结

第4章 道砟颗粒的细观破碎粉化机理研究

4．1．道砟单轴压碎实验及破碎力学参数的标定

4．1．1．道砟破碎强度测试设备的设计

4．1．2．道砟颗粒在单轴受压下的破碎形式分析

4．1．3．道砟破碎力学参数的标定

4．2．道砟的磨耗粉化机理及影响因素研究

4．2．1．洛杉矶磨耗实验数值模型的建立及验证

4．2．2．针、片状颗粒含量对道砟集料磨耗性能的影响

4．2．3．颗粒细观几何、物理参数对道砟磨耗性能的影响

4．2．4．道砟磨耗粉化对散体道床的影响

4．3．本章小结

第5章 道砟颗粒间相互作用及劣化机理研究

5．1．散体道床直剪仪的研发及相应数值仿真模型的建立

5．1．1．实验仪器的设计

5．1．2．直剪试验数值模型的建立及验证

5．2．道床脏污评估指标的优化

5．2．1．不同脏污材料对道床剪切性能影响的实验研究

5．2．2．已有的道床脏污评估指标分析

5．2．3．脏污指标PFI的提出

5．2．4．脏评估指标PFI的合理性分析

5．3．级配劣化对道床剪切性能的影响

5．3．1．基于分形理论的道砟级配曲线量化方法

5．3．2．级配对散体道床剪切力学性能的影响

5．4．本章小结

第6章 道床与轨枕在循环荷载作用下的沉降特性研究

6．1．双轴道砟箱数值仿真模型的建立及验证

6．1．1．双轴道砟箱数值仿真模型的建立

6．1．2．关键力学参数的标定与模型验证

6．2．道床在循环荷载作用下沉降特性的影响因素分析

6．2．1．荷载频率对散体道床沉降力学性能的影响

6．2．2．荷载幅值对散体道床沉降力学性能的影响

6．2．3．道床阻力对散体道床沉降力学性能的影响

6．3．散体道床的沉降预测

6．3．1．道床沉降预测方法综述

6．3．2．散体道床沉降预测方法优化

6．4．本章小结

第7章 散体道床与上下部结构间的荷载传递规律研究

7．1．连续介质单元-离散单元耦合算法的实现

7．1．1．耦合边界中离散单元本构模型

7．1．2．耦合边界中有限元本构模型

7．2．快速拉格朗日有限差分法综述

7．2．1．基于显示动力算法的基本流程

7．2．2．节点运动方程

7．2．3．单元变形协调方程

7．2．4．单元的力学方程

7．3．散体道床-路基耦合仿真模型的建立

7．3．1．道砟颗粒二维离散单元的构建

7．3．2．轨枕-路基连续介质耦合模型的建立

7．3．3．基于现场实测结果的拟合实车荷载

7．3．4．耦合模型的验证

7．4．不同线路条件下散体道床-下部基础结构动力特性分析

7．4．1．不同线路条件下散体道床的结构动力特性分析

7．4．2．不同线路条件下软质下部基础荷载传递特性分析

7．5．本章小结

第8章 结论与展望

8．1．主要结论

8．2．展望

参考文献

附录

作者简历

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