高速铁路散体道床力学行为、劣化机理及变形规律研究

This project deals with the problem of mechanical behavior, deterioration mechanism and deformation of the high-speed railway granular ballast bed. By using the method of combining the theoretical analysis, numerical simulation with experiments, high-performance discrete element analysis module for the micromechanical behavior of the ballast bed is induced to the theory of vehicle-track coupled dynamics. The new theory and the new method of dynamic analysis for the ballast bed will be established based on the coupling of multi-body dynamics method, discrete element method and finite element method. The mechanical behavior and state deterioration mechanism of the ballast bed under the action of the high-speed train will be analyzed. The state evolution and deformation law of the high-speed railway ballast bed will be investigated. The prediction method and control standards of high-speed railway ballasted track state evolution will be studied so as to provide scientific basis and theoretical foundation for the maintenance and safety management of high-speed railway ballasted track with different operation speeds. The achievements of the project will provide some theoretical foundation for determining the design standards and the maintenance criterions of modern high-speed railway ballasted track.

针对现代高速铁路有砟轨道结构特征，围绕高速铁路散体道床力学行为、状态劣化与累积变形这一核心问题，采用理论分析、数值模拟与试验研究相结合的方法，把可以反映散体道床细观力学行为的高性能离散元分析模块引入到车辆－轨道耦合动力学模型中，建立基于多体动力学－离散元－有限元的车辆－基础结构耦合分析理论及技术，建立高速铁路散体道床力学性能与变形分析新理论和新方法，揭示高速列车荷载作用下散体道床的力学行为和状态劣化机理，探明高速铁路散体道床状态演变和变形规律、以及道床动力特性和变形对车辆－轨道耦合振动的影响，提出高速铁路散体道床性能与状态演变的预测方法，给出有砟轨道状态控制建议准则，为不同速度等级的高速铁路有砟轨道维修养护与安全管理提供科学依据和理论支撑。预期成果对我国高速铁路有砟轨道技术发展具有重要理论意义和良好应用前景。

本项目围绕高速铁路散体道床力学行为、状态劣化机理及累积变形规律等关键科学问题，开展了道砟颗粒三维几何形态重构及其离散元模拟方法研究，道砟颗粒静态压碎力学行为及细观机理研究，道砟材料剪切力学行为的室内试验与离散元模拟，高速铁路道砟振动特性的室内试验与离散元模拟，400万次循环作用下散体道床累积变形与道砟劣化的1:1实尺模型试验研究，荷载工况和道砟参数对道床累积变形的影响机制与规律研究，高速铁路有砟轨道几何状态预测分析与控制方法研究。本项目研究建立了高速铁路道砟几何样本库和道砟离散元模型样本库，发展了铁路道砟力学性能试验技术，提出了综合运用离散元、有限元、车辆-轨道耦合动力学的散体道床力学行为模拟新方法与新技术。通过实验研究和数值模拟分析，获得了道床累积变形规律及道砟颗粒磨损与破损劣化统计数据，给出了道砟破碎力学行为的统计特性和细观力学机制，获得了含沙道砟、土工格栅强化道砟直剪力学性能与参数影响机制，揭示了行车速度、荷载条件、道砟级配以及格栅加固等对铁路道砟振动和累积变形的影响规律。项目研究还提出了有砟轨道道床不均匀沉降与钢轨变形映射关系的求解方法，给出了道床沉降导致的轨枕空吊以及车辆通过时轨枕与道床间动态的接触/空吊的状态阈值，提出了基于列车运行动力学品质的不平顺敏感波长及波深控制建议限值。项目研究成果为高速铁路有砟轨道工程设计与养护维修提供了理论支撑和应用参考，其中，关于有砟轨道不平顺的研究成果在中国铁路总公司技术标准《高速铁路有砟轨道不平顺谱》的制订中得到体现。