土工格栅与道砟胶联合作用下有砟轨道加固特性的离散元分析

This project deals with the problem of dynamic characteristics, deterioration mechanism and reinforcement measures of the high-speed railway granular ballast bed. By using the method of combining the theoretical analysis, discrete element numerical simulation with laboratory experiments, the discrete element model of irregular ballast particles is improved. A refined discrete element model with higher computational efficiency and precision is established, which can be employed to analyze the behavior of ballast track. On this basis, this project combines the refined model with efficient parallel algorithm to promote the application of discrete element method of large-scale problems in railway engineering. By the simulation of dynamic characteristics of full-size ballast bed, the influences of ballast shape, gradation, porosity and degradation to the behavior of ballast bed are discussed. By the simulation of reinforced ballast material, the joint reinforcement effects of geogrid and polyurethane polymer to ballast bed are analyzed. This project will provide some theoretical foundation for determining the design standards and the maintenance criterions of the high-speed railway granular ballast bed.

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动力特性、状态劣化与加固措施等问题，本项目采用理论分析、离散元数值模拟与室内试验研究相结合的方法，完善非规则道砟颗粒的离散元模型，提高镶嵌单元和粘结单元的计算效率和精度，建立适用于有砟轨道结构的离散元精细化模型。在此基础上，本项目将精细化模型与高效并行算法相结合，推动离散元方法在大规模铁道工程问题中的应用。通过对真实尺度有砟道床的动力特性、土工格栅和道砟胶对道床的加固作用等问题的离散元数值模拟，分析不同道砟形状、级配、孔隙率、劣化程度对有砟道床力学行为的影响及土工格栅和道砟胶对道砟材料联合加固作用的内在机理，为高速铁路有砟轨道的合理设计及养护维修提供科学依据和理论支撑。

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动力特性、状态劣化与加固措施等问题，本项目针对非规则形状道砟颗粒镶嵌单元内部多余颗粒的去除、有砟轨道结构离散元-有限元耦合模型、基于GPU并行计算的离散元高性能计算方法、土工格栅及道砟胶对道砟材料的加固作用、适用于大粒径岩土材料新型土工格栅设计等问题开展了研究。基于背景网格法去除道砟颗粒镶嵌单元内的多余颗粒。优化后的镶嵌单元模型能更好地优化系统内存、减少计算时间；针对轨枕、道砟层和下部结构之间的相互作用，建立了三维离散元-有限元耦合数值模型，为了提高计算效率，提出了一种基于GPU的并行框架应用于离散元模拟，采用此方法对不同列车速度及轴重条件下的整体有砟轨道的动力特性进行了分析；提出了一种分析采用道砟胶加固后的有砟-无砟过渡段动力特性的离散元-有限元耦合模型。结果表明通过调整道砟胶的粘结深度或厚度，可以实现有砟-无砟过渡段刚度的均匀变化，使沉降量由有砟区向无砟区平稳过渡；提出了一种通过直剪试验和拉拔试验研究土工格栅加筋道砟抗剪强度的耦合离散元-有限元方法。分别采用离散元法和有限元法模拟道砟和土工格栅，通过静力平衡的方式实现两种方法的耦合。结果表明铺设土工格栅能够提高道砟的抗剪强度，并在细观尺度上分析了土工格栅加固效应的内在机理；针对有砟道床的结构特点，考虑实际铁路中底部道砟嵌入路堤的客观事实，发展了一种嵌入式离散元-有限元耦合模型。嵌入路堤中的球形颗粒受到路堤的约束作用很难产生侧向滑动，由于颗粒间具有较好的自锁能力，从而通过颗粒间咬合作用减少上部道砟层在列车载荷作用下的侧向移动，使数值结果更加稳定；针对大粒径岩土材料设计了自适应土工格栅。新型土工格栅能充分发挥颗粒间的咬合作用，使加固效果进一步提升。