高速列车重复荷载作用下道砟材料压密性及破碎规律研究

The permanent deformation of subgrade was produced under high-speed train under repeated load.Due to the breakup and ballast subgrade uneven settlement caused by excessive deformation brings high frequency and expensive maintenance and repair. Therefore, the correct understanding of the load transfer mechanism of foundation under rail structure and the structure layer deformation is the key factor of security and economy track design and optimization of maintenance and repair scheme. This project aims at ballast breakup and compaction of the macroscopical and mesoscopic problems under repeated loading of train. First, the discrete element model of ballast particles will be established to realize numerical simulation of ballast particle breakup and surface morphology; Secondly, the influence of particle breakup factors will be analysed based on the dynamic triaxial test and discrete element numerical model, the relationship between mechanical parameters and micro macro compaction of ballast will be summarized; the particle breakup and subgrade uneven settlement calculation formula of deformation conditions will be summarized based on the 1:1 model test and discrete element numerical model; Finally, by using the numerical model, the ballast particles broken distribution regularity in track structure will be analysed; Based on the research on Influencing factors of the ballast breakup, the technological method of preventing ballast breakup will be proposed in the aspects of material design and structural design of ballast track.

铁路基床在高速列车重复荷载下产生不可恢复的累积变形，由于道砟的碎化和路基不均匀沉降引起的过大的变形带来了高频率和昂贵的养护、维修。因此，正确理解轨下基础结构荷载传递机理和各结构层变形是安全、经济的轨道设计和优化养护、维修方案的关键要素。本项目针对列车重复荷载下道砟的碎化和压密性的宏、细观问题展开研究，首先，建立道砟颗粒离散元模型，实现道砟颗粒破碎和表面形态的数值模拟；其次，基于室内动三轴试验和动三轴试验离散元数值模型，分析影响颗粒碎化的因素，得出道砟微观力学参数与宏观压密性的关系；基于1:1模型试验和离散元数值模型，得出考虑颗粒碎化和路基不均匀沉降条件下的累积变形计算公式；最后，利用数值模型，分析轨道结构中道砟颗粒碎化的分布规律，基于对道砟破碎影响因素的研究，从道砟材料设计和轨道结构设计方面提出防治道砟破碎的技术方法。

列车速度的提高，对既有线路道砟结构层的强度和稳定性提出了更高的要求。本项目基于大型动三轴试验和离散元数值模拟，对道砟材料的压密性和破碎规律展开研究。.通过大型动三轴试验，研究了不同围压下道砟颗粒的累计变形规律，在加载初期阶段（50000次以内），累计变形量和围压没有明显的相关性，处于不稳定期。研究发现，加载初期存在某个围压值使得道砟的累计变形量最小，这与道砟颗粒破碎程度趋势吻合。.采用对试验道砟颗粒进行标识的方法，分析试验前后道砟颗粒的状态。分析发现，颗粒破碎的主要形式为边角破碎，颗粒整体断裂的出现情况较少，而边角破碎和道砟颗粒粒径组成有明显相关性，这与离散元数值模拟中体现出来的力链在颗粒上分布情况基本吻合。根据破碎量的统计分析，提出了破碎指标BBI的修正指标，通过指标计算可以分析出试验前后不同颗粒的破碎分布状态。.研究了颗粒级配、缩尺效应对道砟强度及变形特性的影响。研究发现，缩尺寸和全尺寸试验在强度峰值、强度指标、体应变、变形模量等方面存在差异，采用缩尺寸试验来替代全尺寸试验，在工程设计中道砟的强度和变形参数将有利于安全。.通过磨耗试验模拟道砟边角磨损后的状态，利用图像分析软件，对不同磨耗程度的道砟形态进行采集和对比分析，提出表征道砟边角磨损程度的形态指标。.利用颗粒流离散元程序，建立考虑道砟形态特征的动三轴试验双轴模型。对不同粒径下模拟道砟颗粒的接触力进行提取分析，总结出道砟颗粒在重复荷载作用下颗粒破碎的时间和空间的分布规律。