快速重载铁路荷载下道砟颗粒破碎与劣化机制研究

Faster and heavier cyclic loading on existing tracks has become inevitable. This has caused increasing dynamic load, ballast breakage and densification of ballast, and consequently leading to frequent track maintenance. Currently geogrid has been used widely to reinforce ballast layer. Therefore, the dynamic behaviour and breakage mechanism of ballast, and also the interlocking behavior between ballast and geogrid are becoming focus problems in the current fields of railway and geotechnical engineering. This study investigates the ballast settlement and particle breakage under cyclic loads of varies loading frequencies and axle loads. It can further enrich and improve the theory of ballast breakage and degradation. The effect particle shape on ballast breakage can be investigated by comparing the ballast before test and that after test. Moreover, the critical speed and axle load of passing train could be predicted by comparing the extent of ballast breakage under various loading frequencies and axle loads. Thus it provides a numerical simulation support for the railway construction. Meanwhile, a combination study of macro experimental loading test and micro DEM simulation, reveals the interlocking behaviour between geogrid and ballast. It also provides some suggestions to the design and application of geogrid.

高速或重载列车通过有砟轨道时必然会增加动应力，导致道砟的破碎和致密化, 进而增加维护成本, 针对道砟的劣化，目前工程上广泛应用土工格栅进行加固。因此了解道砟颗粒的动力学特性、破碎机理和土工格栅加固作用机制已成为铁路岩土工程领域关注的焦点。本项目结合轨枕-道砟箱模型加载试验和离散元颗粒数值模拟（DEM），以可破碎道砟颗粒为对象，研究循环荷载下道砟层沉降和道砟破碎，进一步丰富和完善道砟破碎理论和劣化机制的研究。通过对比试验加载前后标记的道砟可研究颗粒形状对道砟破碎的影响；通过分析不同荷载和频率下道砟的破碎程度来预测铁路的临界速度和载重，为实际铁路建设提供具有参考意义的数值模拟分析。同时本项目还将从宏观加载试验和细观数值模拟上揭示“土工格栅-道砟”系统内部的加固作用机制,为土工格栅的设计和应用提供一定的参考。

高速或重载列车通过有砟轨道时必然会增加动应力，导致道砟的破碎和致密化。因此了解道砟颗粒的动力学特性、破碎机理和土工格栅加固作用机制已成为铁路岩土工程领域关注的焦点。运用了离散元软件PFC3D和EDEM进行了单、多轨枕道砟箱模拟，模拟结果表明文克勒地基模型可用于离散元数值模拟中，并替代有限元耦合方法；实现了相位荷载，模拟了速度和荷载对道床劣化的影响。通过自研“道砟箱-轨枕”循环加载装置，进行了初步的轨枕-道砟箱模型加载试验。研究发现轨枕的结构、截面对道砟的受力分布有重要影响，并推出X型异性结构轨枕。通过比较X形和传统轨枕，发现X形轨枕对改善道砟受力分布和减少道砟横纵向劣化有一定作用，其更能均匀传递上部荷载至道砟层，同时应兼具抗剪、抗侧移能力。通过道砟下落堆积离散元数值模拟和试验验证，得出最具代表性的颗粒形状参数和摩擦系数。此外，通过测量不同级配的道砟休止角，发现当道砟D50为40mm，Cu为2.1时，道砟的堆积休止角最大。通过双层土工格栅-道砟拉拔试验研究土工格栅孔径尺寸和铺设深度的影响；提出各深度处单层拉拔阻力标准值以及双层土工格栅情况下的“双层加固效率”，探讨了最佳加固方式和土工格栅的变形特征。. 本项目结合轨枕-道砟箱模型加载试验和离散元方法（DEM），以可破碎道砟颗粒为对象，研究循环荷载下道砟层沉降和道砟破碎，进一步丰富和完善道砟破碎理论和劣化机制的研究。通过下落试验和模拟确定真实道砟颗粒的形状参数、摩擦系数标定和级配的影响。通过分析不同荷载和频率下道砟的破碎程度来预测铁路的临界速度和载重，为实际铁路建设提供具有参考意义的数值模拟分析。同时本项目还将从宏观加载试验和细观数值模拟上揭示“土工格栅-道砟”系统内部的加固作用机制,为土工格栅的设计和应用提供一定的参考。