高速铁路散体道床劣化机理研究

During the operation of high-speed railway, the deterioration of ballast bed endangers the operation safety directly. Therefore, a research on the deterioration mechanism of ballast bed in high-speed railway is of important theoretical significance and to have a wide application prospects. The three scientific questions – simulation of ballast particles and their mechanical state in high-speed railway, interaction between ballast bed and track panel as well as between ballast bed and lower foundation of multilayer structure system, and law of deterioration evolution of ballast bed under the conditions of complex environment in high-speed railway – on which the subject is focusing, mainly include the following research which will be studied in-depth and systematically: interaction between ballast bed and structures, deterioration mechanism of ballast bed status, mechanism of interaction between ballast and big maintenance machineries and influence of related parameters, evaluation and prediction of mechanical status of ballast bed in high-speed railway, mechanism and application on mitigating the degradation of ballast bed and so on. The subject, intended to be carried out through theoretical research and experimental study, is to reveal the evolution mechanism of deterioration of ballast bed in high-speed railway. So as to build a set of multi-dimensional theory system on high-speed railway ballast bed with China’s independent intellectual property combined with study, analysis and application altogether, which can provide scientific theoretical basis for design, construction, and operation safety of ballasted track.

在高速铁路运营条件下，有砟轨道散体道床的劣化会直接影响列车的运营安全。因此，进行高速铁路散体道床劣化机理的研究具有重要的理论意义和应用前景。课题针对高速铁路道砟颗粒及其力学状态的模拟、高速运营条件下散体道床与轨排和下部基础多层结构体系的相互作用、复杂环境条件下高速铁路散体道床劣化演变规律三个关键科学问题，主要从散体道床与结构的相互作用、有砟道床状态劣化机理、道砟与大型养路机械的相互作用机理及参数影响规律、高速铁路有砟道床力学状态评估及预测、延缓道床劣化措施的机理及应用等方面进行深入、系统的研究。拟通过系统的理论及试验研究揭示高速铁路散体道床劣化演变机理，形成一整套具有我国自主知识产权的集研究、分析、应用为一体的高速铁路散体道床多维理论体系，为我国高速铁路有砟轨道结构的设计、施工、运营安全与养护维修提供理论基础和科学指导。

在高速铁路运营条件下，有砟轨道散体道床的劣化会直接影响列车的运营安全。因此，进行高速铁路散体道床劣化机理的研究具有重要的理论意义和应用前景。课题针对高速铁路道砟颗粒及其复杂作用关系的模拟；高速运营条件下散体道床与轨排、下部基础多层结构体系的精细化仿真；复杂条件下道床劣化机制模拟及其演变规律三个关键科学问题，主要从散体道床与结构的相互作用、有砟道床状态劣化机理、高速铁路有砟道床力学状态评估及预测、延缓道床劣化措施的机理及应用等方面进行深入、系统的研究，并取得了一系列重要成果。.在散体道床与结构的相互作用机理研究方面：将三维几何重构方法与离散单元法相结合，提出了复杂外形道砟颗粒精确模拟方法，解决了第一个关键科学问题，形成了基于离散单元法的复杂外形道砟颗粒精细化模拟及形状特征分析技术体系；提出了能同时考虑有砟轨道散粒体特性以及下部基础连续介质特性的多尺度耦合分析方法，揭示了散体道床与上、下部异质结构间相互作用机理，解决了第二个关键科学问题。.在有砟道床状态劣化机理研究方面：自主研发了道砟颗粒临界破碎强度测定设备，揭示了道砟颗粒的受压破碎机理；基于洛杉矶磨耗试验揭示了颗粒外形对道砟磨耗性能的影响规律以及道砟颗粒粉化对散体道床的影响规律；通过自主研发的双轴循环荷载道砟箱试验，揭示了散体道床累积沉降的劣化机理，解决了第三个关键科学问题。.在高速铁路有砟道床力学状态评估及预测方面：提出了针对高速铁路道床脏污的合理评估指标PFI；揭示了道床状态评价指标间的相关性，提出了基于道床横向阻力、枕下支承刚度及其位移回弹百分比的高速铁路的道床状态评估方法。.在延缓道床劣化措施的机理及应用研究方面：揭示了养路机械与道砟颗粒的相互作用机理，提出了适用于高速铁路的大型养路机械关键作业流程及作业参数的优化方案；从理论角度对弹性轨枕、土工格栅、砟下垫、聚氨酯固化道床等延缓散体道床劣化措施的作用机理进行了研究，并在此基础上针对不同的延缓措施，提出了优化方案。.在合同要求之外，为了完善高速铁路有砟轨道结构技术体系，还对高速行车条件下散体道床道砟的飞溅机理进行了研究，并基于研究结果，提出了飞砟防治方案。.在揭示高速铁路散体道床劣化机理的基础上，形成了一整套具有我国自主知识产权的高速铁路散体道床多维理论体系，为我国高速铁路有砟轨道结构的设计、施工、安全运营与养护维修奠定了重要的理论基础。