列车动荷载作用下道砟散体动态力学特征与道砟陷槽病害微观力学机制研究

Dynamic Response of the track/subgrade under moving load was analized by domestic and foreign scholars. The bulk mechanical properties of the ballast was ignored.The mechanical mechanism of interaction between ballast and subgrade under dynamic loading is unclear. In view of the above problems , the methods of indoor model test、 theoretical derivation and numerical analysis are utilized by declaration to established micromechanical models in which ballast extruded bedding，based on kinds of mechanical models of granular mechanics and fracture mechanics. The constitutive relation of ballast-roadbed interface is established also. And then the coupling analysis model of track sleeper- ballast-bed is established.the small proportion indoor test model of track sleeper- ballast-bed is established too. Through the contrastive analysis, The complete theory of interaction of ballast and subgrade and micromechanical machine-made of ballast capsule are batained .The basis of theory and experimental of diseases treatment are provided in view of micromechanical .

国内外学者在做轨道-路基动力响应分析时，往往忽略道砟本身的散体力学性质，道砟与基床之间动力荷载作用下相互作用的微观力学机理目前尚不清楚。针对以上问题，申报者在前期研究工作的基础上，采用室内模型试验、理论推导、数值分析手段，建立基于散体力学和断裂力学两种力学模式下的道砟对基床挤压、破坏的微观力学模型，建立道砟与基床接触面的本构关系，并在此基础上建立轨枕-道砟-基床的动力耦合分析模型和室内小比例轨枕-道砟-基床的动力响应模型试验，通过对比分析计算建立比较完整的道砟与基床相互作用的微观力学理论，建立道砟陷槽病害形成的微观力学机制，为从微观力学角度进行道砟陷槽病害的治理提供理论是实验依据。

有砟轨道是目前国内既有货运线路的主要轨道形式，货运重载是我国货运铁路运输的发展方向，重载铁路的年运输量不断增大加重了道砟陷槽病害。道砟在动荷载作用下，将荷载以冲击动量的形式扩散到基床，基床顶面所受道砟的冲击力不均匀，遭受较大冲击力的基床位置发生破裂、挤压，道砟逐渐渗入基床内部，形成道砟囊、并逐步发展形成道砟陷槽，这是目前对有砟轨道货运铁路道砟陷槽病害的一般认识，但是道砟陷槽病害的内部细观力学机制并不清楚。国内外学者在做轨道—路基动力响应分析时，往往忽略道砟本身的散体力学性质，道砟与基床之间动力荷载作用下相互作用的微观力学机理目前尚不清楚。针对以上问题，课题组采用室内模型试验、理论推导、数值分析手段，建立基于散体力学和断裂力学两种力学模式下的道砟对基床挤压、破坏的微观力学模型，并在此基础上建立轨枕—道砟—基床的动力耦合分析模型，通过对比分析计算建立了完整的道砟与基床相互作用的微观力学理论，揭示了道砟陷槽病害形成的微观力学机制。通过研究表明：道砟散体在轨枕动荷载作用下，动应力以轨枕激震点为基点45°向道砟层扩散。基于断裂力学理论的刚性道砟对基床连续体的破坏模式很好的描述了以粘性土为主的基床道砟陷槽病害，在进行基床连续体断裂力学分析时，重点分析了粘性土基床的静力学参数、动力学参数、动载振幅与频率对基床刚度的影响以及静力学参数c、ψ值与动剪模量、动剪刚度之间的关联度分析，研究结果表明基床连续体的动剪模量与动剪刚度与静力学参数c、ψ值明显的关系，动剪切模量与动剪刚度随c、ψ值的增加呈递增关系。基床稳定状态对动载频率的变化不敏感，而受动荷载振幅的影响很大。基于粗细颗粒在动荷载作用互相挤压影响，形成道砟陷槽病害的力学模型的分析，该模式比较适合粗颗粒土为主的基床材料，通过pfc软件动力离散元分析，在动荷载作用下，这样的挤压效果对于道砟陷槽病害的形成很困难，因此，在进行道砟-基床相互作用的动力分析模型时，即便是以砂性土为主压实形成的基床也不能忽略基床作为连续体的性质。研究成果为从微观力学角度探讨道砟陷槽病害的力学形成机制以及病害治理提供理论依据。