粒间结构变化时高速铁路散粒体道床劣化机理及控制研究

Degradation of high-speed railway's trackbed mainly arises from train's operation loading and external factors. Intense vibrations caused by high-speed operating trains will destroy the existing inter-particle contact structures, thus accelerate the settlement of ballast layer. The ballast particle breakage as well as the migration of fine particles from subgrade into the ballast voids will change the inter-particle contact patterns, and the environmental factors, e.g. rainfalls, will further bring down the inter-particle frictions, which will lead to subgrade defects. This project starts from a substantial issue of the inter-particle contact structure changes arisen from the train's dynamic loading and the fine particle intrusion to investigate the degradation of ballast layer. At first, a new DEM model considering the dynamic contacts between track structure and ballast particles is developed to reveal particle vibrating properties and the transmitting laws of inter-particle contact forces, then the evolution laws of inter-particle contact structures considering particle breakage, fine particle intrusion and moisture content changes will be analyzed with the aid of triaxial tests and DEM simulations, finally, a full-scale physical model test and its corresponding theoretical analysis are conducted to obtain the development rules of ballast layer deformation, prediction methods and controlling measures. The research work of this project will further improve the understanding of the mechanism of railway ballast layer degradation, and provide important technical supports to enhancing the working performances of high-speed railway's ballasted track and reducing maintenance costs.

有砟高速铁路散粒体道床的劣化主要由列车运行荷载和外部因素所引发。列车高速运行产生的强烈振动破坏道砟颗粒间已有的稳定接触结构，加速道床沉陷；道砟颗粒破碎粉化及下部路基细颗粒土向上迁移进入道砟空隙，改变道砟颗粒间的接触形式，降雨等环境因素使道砟间摩擦力进一步下降，造成路基病害。本课题从列车动荷载和细颗粒入侵条件下道砟颗粒间的接触结构变化这一本质问题出发开展铁路道床劣化的研究。首先，建立轨道-道床颗粒动力接触新型离散元模型，揭示列车高速运行时道床颗粒的振动特征及粒间力的传递规律；其次，通过单元体试验和离散元模型分析颗粒破碎、细颗粒土入侵及水分变化条件下道砟颗粒间接触结构的演化规律；最后,通过全比尺物理模型试验和对应的理论模型获得道床变形的发展规律、预测方法和控制技术。课题的研究将进一步加深对铁路道床劣化机理的认识，为提升高速铁路有砟轨道的工作性能，降低养护费用提供重要的技术依据。

项目针对高速铁路散粒体道床累积沉降这一关键科学问题，开展了试验手段创新、基础理论研发、模型试验和现场测试，全面完成了预定研究内容，取得了一系列成果。研发了颗粒形状计算机视觉重建和分析方法，构建了颗粒形状库。开发了基于实际颗粒形状的铁路道床离散元分析模型,开发了PID伺服控制加载算法，实现了铁路道床离散元模型上列车动荷载的精准施加。基于时间和空间移动均化方法建立了微观颗粒运动与宏观道床响应之间的转化方法，解决了离散元计算结果与试验测试结果难以直接对比验证的难题。基于散粒体道床颗粒运动的微观分析揭示了列车运行产生的路基主应力轴旋转对累积沉降的影响规律，发现列车移动荷载相比定点循环加载导致颗粒转动角度显著增大、加速颗粒重新排列，其对应的路基主应力轴经历了90度到-90度的旋转，而定点循环荷载作用下主应力轴方向基本不变，由此导致列车移动荷载产生的道床累积沉降比定点循环荷载情况下增大约65%。开展了全比尺高速铁路有砟线路的物理模型试验，揭示了列车高速运行时道床颗粒的振动特征及粒间力的传递规律，通过测定路基各土层累积沉降发现有砟线路的累积沉降绝大部分由散粒体道床产生；在高速列车运行荷载作用下道床颗粒运动加剧而导致道床产生累积沉降，而在重载列车运行荷载作用下道砟颗粒破碎明显导致道床沉降发展；提出了采用土工格栅加固道床控制道床累积沉降的方法，并通过试验进行了验证；进一步分析了道床底部铺设沥青层降低道床动荷载幅值控制累积沉降的作用机理。通过高速铁路轨道-路基动力耦合分析和高铁路基的现场钻孔取样分析，确定了路基水分入渗的途径及内部细颗粒在基床碎石层中的迁移途径，揭示了翻浆冒泥的产生机理和发展规律，并提出了通过高聚物注浆驱水、填充并恢复轨道高程的方法，成功应用于沪宁和沪杭等高速铁路的运行维护。研究成果发表国内外期刊论文9篇，授权国家发明专利2项，美国PCT发明专利2项，并获得教育部十大科技进展和浙江省科学技术进步一等奖。