1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 高速铁路发展现状

铁路作为现代交通运输方式的重要组成部分，对社会、经济的发展有着巨大推动作用，同时高速铁路以其高效快捷、安全优质的运输服务，逐渐成为许多国家运输发展的重要方向。据了解，欧洲主要国家正在设计和规划连接欧洲主要大城市的高速铁路网；在亚洲地区，以中国为代表的国家正在规划、修建连接各主要城市的高速铁路网，并不断对沿线基础设施进行改造，以此缓解人口密度压力，促进经济的进一步发展；在中东、南美洲和非洲地区，铁路建设基础相对薄弱，目前也在积极寻求高速铁路的建设方案^[1]。

纵观全球高速铁路建设，日本、法国、德国是目前世界上高速铁路设计与建设技术最为成熟的国家。1964年10月1日，世界上第一条高速铁路在日本的东海道建成，全长564km，连接东京和大阪，时速达210km/h，由此拉开了高速铁路建设的序幕。随后，1981年法国的TGV(Train à Grande Vitesse)投入运营，这条连接巴黎和里昂的高速铁路刷新了当时的高铁最高时速记录；1989年德国的ICE(Inter-CityExpress)投入运营，这条线路从汉堡出发途径德国的多个大城市，最终抵达慕尼黑；1992年，西班牙的AVE(Alta Velocidad Espanola)投入使用^[2]。截至2016年，根据UIC的统计^[3]，全球共有17个国家和地区已有高速铁路投入运营，总里程达34679km，在建里程14559km，，主要集中在欧洲、亚洲，见表1；另据统计，最大试验时速达578.4km/h（TGV，巴黎至斯特拉堡东线，2007），最大运营时速达320km/h（法国，日本，德国）^[1,4,6]。

表1 国际高速铁路线路（UIC数据）[3]

国家（地区）	运营中(km)	在建(km)	规划(km)	当前排名
中国	21,688	10,201	677	1
日本	2892	551	179	2
西班牙	2871	1262	1327	3
法国	2036	740	1786	4
德国	1475	368	324	5
意大利	923	125	221	6
土耳其	688	469	1134	7
韩国	598	61	49	8
美国	362	483	1023	9
中国台湾	345	9	-	10
波兰	224	-	1127	11
比利时	209	-	-	12
荷兰	120	-	-	13
英国	113	-	543	14
瑞士	87	72	-	15
奥地利	4	218	-	16
总计	34,679	14,559	8390	-

我国高速铁路起步较晚，但在最近10年内迅猛发展，在运营里程和平均速度方面均有大幅度的提升，已成为全球高速铁路市场的重要成员。2008年，中国首条高铁线路——京津城际铁路投入运营，全长118km。随后中国高铁建设进入了大发展时期，至2013年底，我国高铁运营里程达到9904km；至2015年底，我国高铁运营里程达到1.9万km^[5]；至2017年7月^[6]，我国高铁运营里程已经超过22000km，超过了其余各国高铁运营里程的总和。与运营里程同时增长的，还有运行密度，据统计，我国高速铁路的迅猛发展带动整体铁路客运量以每年10%的速度递增，仅2014年，动车组的发送量就达到了9亿人次，占客运总量的40%，平均每日运行的动车组达2000列。据Railway Gazette International每两年进行一次的World SpeedSurvey显示，截止2017年，我国高铁的最高运行速度305km/h居全球第四，位列法国、日本、西班牙之后，但是自2013年以来，我国最大平均站间速度一直居全球第一，2017年石家庄至郑州高铁线的最大平均站间速度已达283.4km/h，目前全球共有6个国家最大平均站间速度超过250km/h。根据《中长期铁路网规划》，至2020年全国铁路运营里程达12万km以上，复线率超过50%，电化率超过60%，高速铁路里程达1.6万km以上，铁路快速客运网达5万km以上，目前该计划已初步完成。

综合国内外高速铁路的建设情况，可以判断高铁的建设已成为诸多国家的战略选择，是国计民生、经济发展的综合考量，尽管对于高铁建设的利弊争论仍未有定论，高速铁路对我国经济发展的巨大推动是有目共睹的，围绕高速铁路建设的课题必将成为各国工程师钻研的重要方向。

1.2 铁路路基沉降及防治措施研究现状

无砟轨道由于其自身的结构特性及设计要求，一般不允许出现沉降，因此本文分析的对象为有砟高速铁路的路基沉降。

1.2.1 有砟轨道沉降机理研究

有砟轨道路基的沉降是路基断面各部分变形的综合体现，包括轨道、轨枕、道砟层、地基层，研究表明^[7]道砟层的变形占整个路基沉降的50%~70%，因此对于道砟层变形特性的分析对于整个有砟轨道沉降的研究尤为重要。

孙其诚、刘光宪等人^[8,9]的研究揭示了道砟作为一种散粒体材料的变形特性：道床作为颗粒材料，其宏观力学特性兼具弹性与塑性特征，在循环列车荷载的作用下会产生弹塑性变形，沉降研究的重点是轨道结构各部分的塑性变形，道床的塑性变形主要来源于两个方面：1)在循环荷载的作用下，道砟颗粒间发生错动和重新排列，颗粒的内部联接被破坏，发生横向扩展运动，引起道砟结构的变形；2)由于荷载过大，引起颗粒的破碎、粉化，或在循环荷载的作用下，颗粒几何形态发生磨圆，引起颗粒的变形。

在列车循环荷载作用下，道床每次荷载下的微小塑性变形会逐渐积累，最终表现为道床的下沉，工程经验表明，在路基良好的情况下，轨道的沉降主要为道床的沉降。道床的沉降大致可分为先期沉降与后期沉降两个阶段。先期沉降是道床的压密阶段，下沉急剧。在荷载作用下，新铺设的道砟颗粒间相互错动，重新排列，孔隙率减小，道砟被压实。后期沉降较为缓慢，是道床在压实后的少量下沉，随时间线性变化。

1.2.2 有砟轨道沉降防治措施研究

根据上述道砟的变形特性，有砟轨道沉降的防治措施也分成两种思路，第一种是从道砟颗粒间的联接作用出发，采取各种手段保持、增强、恢复道砟颗粒间的联接，防止颗粒间的错动；第二种是从道砟颗粒的劣化角度出发，采取各种手段减小道砟颗粒的应力大小，或增强其抗剪强度，避免道砟颗粒的破碎、粉化、磨圆，进而避免颗粒的变形。从沉降防治措施的使用时间上看，可以划分成两类：新建线路设计施工阶段的措施及既有线路运营维护阶段的措施^[10]。具体防治措施分类见图1.

1.2.2.1 弹性隔振措施

弹性隔振措施主要目的是减小列车荷载在路基中引起的动应力，按照铺设位置自上而下分为：轨道垫(Rail Pads)、轨枕垫(Under Sleeper Pads,USP)、道砟垫(Under Ballast Mat,UBM)。这三种弹性单元在轨道结构中充当滤波器，滤除列车荷载引起的高频动应力波^[11,12]，其抽象模型近似于一系列的阻尼器，有着较好

图1 有砟轨道沉降防治措施

的耗能能力，可以降低路基中的动应力峰值，进而延缓道砟的劣化。弹性单元常常布设在轨道的特殊位置，如隧道、桥梁段，回转半径较小的弯折处。图2为三种弹性单元在工程实际中的应用。

(a)

(b)

(c)

图2 (a)轨道垫；(b)轨枕垫；(c)道砟垫[12]

弹性隔振单元的特征参数包括拉压刚度(kN/mm)、抗弯刚度(kN/mm³)、厚度，诸多研究围绕特征参数的优化展开。M. Sol-Sánchez等人^[13]分别研究总结了三种弹性单元抗弯刚度的变化对轨道整体的刚度、沉降、承载能力、耗能特性的影响，给出了抗弯刚度与轨道沉降、耗能特性的线性关系，即较软的弹性单元可以提供更好的耗能特性和更小的沉降。Omodaka. A等人^[14]对道砟垫进行了实验室足尺研究，结果表明轨枕垫可以有效轨道的沉降及道砟的侧向变形，在50kN轴载、60km/h的加载状况下，20万次循环后，轨枕垫加固轨道的沉降相对未加固轨道可减少40%，道砟侧向变形减少20%。但是，Fontserè V等人^[15]进行的现场检测表明，轨枕垫的使用可能导致钢轨接头处轨道与轨枕振动幅值的加大，并会引起道砟的过度膨胀，降低道砟的侧向抵抗力。

1.2.2.2 掺入弹性材料

通过布设弹性单元可以起到减小路基内动应力的作用，但是弹性单元制造成本较高，且对环境不够友好，近年来人们开始研究如何采用废旧的橡胶材料增强道砟的弹性，由此诞生出多种向道砟中掺入弹性材料的方法。相较于铺设弹性单元，掺入弹性材料对于道砟的加固更为直接，向道砟中加入废旧橡胶末不仅可以提升道砟层本身的弹性，减少道砟的破碎劣化，同时弹性材料可以对碎石道砟产生一定的约束作用，并且由于使用的主要是废旧橡胶材料，因此对于环境是友好的。

常见的掺入弹性材料的方法有^[10]：弹性约束道砟(RRB),Neoballast,直接掺入法。这三种方法的掺入原料主要为废胶末、废旧橡胶轮胎碎片、橡胶颗粒等，其中RRB需额外掺入专用的弹性环氧水泥，Neoballast需额外掺入聚氨酯，这两种物质都是作为粘接剂使用，而直接掺入法不使用粘接剂。影响掺入效果的特征参数主要是弹性材料掺入量及粘接剂掺入量。

M. Sol-Sánchez等人^[16]对直接掺入法(如图3(a))进行了研究，分别对5%、10%、20%、30%掺入量的道砟材料进行了加载试验，荷载大小分别为200、300kPa,10万次循环，模拟列车速度约29km/h,结果表明弹性材料掺入越多，道砟层的耗能特性越好而沉降越大，试验给出的最佳掺入量为10%，此时轨道沉降降低10%。N. Manzo-Constanzo等人^[17]提出了Neoballst，这是一种西班牙和意大利学者提出的一种新型道砟改造方法，在传统的碎石道砟外层用聚氨酯粘上一层废旧橡胶(如图3(b))，以此来提升道砟的耐磨性、抗剪强度等指标，该小组制定了两阶段的试验计划^[18]，第一阶段的试验表明Neoballast颗粒的耐磨性是普通花岗岩碎石颗粒的十倍。最新的研究结果^[19]表明，Neoballast对于减少道砟的劣化、增强耗能特性效果显著，对于减少长期沉降也有一定效果。

(a) (b)

图3 (a)直接掺入法[16]；(b)Neoballast[18]

1.2.2.3 土工合成材料

采用土工合成材料加固道砟以减少有砟轨道的沉降是目前较为成熟的技术，常见的加固形式有土工织物、土工格栅、土工膜、土工格室等，本文主要研究土工格室对道砟的加固。

(1)土工格室加固道砟机理

土工格室对道砟的加固作用可分成三个部分^[20]：侧向约束作用、竖向应力分散作用、膜作用。

土工格室的侧向约束作用包括两方面，一方面是类似于土工格栅、土工织物等二维土工合成材料的约束作用，道砟颗粒落入土工合成材料的孔中，相互嵌挤，形成联锁的作用^[21]，效果如图4，宏观上看就是土工格栅与道砟交界面上摩擦力的增大；另一方面，土工格室作为三维实体，对其内部的颗粒自然形成约

图4 土工格栅的联锁作用[21]

束，阻止其侧向移动。约束作用的宏观表现就是道砟-土工格室复合体的内摩擦角增大了^[22]。

土工格室的竖向应力分散作用是由于土工格室及其加固的部分土体构成了一个相对坚固的整体，类似一个木板铺在松软的土层上，会引起其下土层应力的重分布，将竖向应力扩散到更大的范围上，以减小应力峰值，作用原理如图5.

图5 土工格栅的竖向应力分散作用[23]

竖向应力的分散在宏观上表现为土体原有破坏面的下移，即土工格室阻碍了土体原本的滑裂面^[24]，迫使其向更深处发展，这样也就增大了道砟层的承载力，作用效果如图6。

图6 土工格室使土层滑裂面下移[24]

土工格室的膜作用是指土工格室作为一种延展性良好的材料，在荷载作用下会向下弯曲，其下部存在一定的拉力，拉力向上的分量可以抵消一部分荷载，受力示意图如图7.

图7 土工格室的膜作用[20]

(2)土工格室加固的研究总结

表2总结了近年来对于土工格室加固方法的研究进展，包含了试验研究和数值模拟两个方向，并对各研究的局限性作了概括。

表2 近年土工格室加固方法研究总结

材料种类	加固形式	试验样品尺寸	研究方法	主要结论	局限	参考
碎石	土工格室	1524(底边)*610(顶边)*546(mm)	模型试验（平板载荷试验）与数值模拟(ABAQUS)	1)土工格室可以有效减少道砟层的竖向、侧向位移 2）土工格室始终处于弹性状态，最危险区域为接缝处	1)试验样品只有道砟层且几何形态与铁路的实际断面不符 2)周期荷载的形式与实际列车荷载不符 3)仿真结果与试验结果拟合不精确，尤其是侧向位移 4)试验全过程围压恒定	LeshchinskyB (2012) [25]
碎石	土工格室	实际有砟轨道结构，纵向3根轨枕	数值模拟(ABAQUS)	1)土工格室减少沉降对于劣化道砟尤其有效 2）土工格室对地基沉降不明显，但可以有效分布地基所受应力 3)土工格室可以有效降低侧向位移、路堤边坡位移	1)没有考虑地基的塑性变形 2)荷载单调	LeshchinskyB (2013) [26]
碎石	土工格室	2200*2000*1300(mm)	模型试验（平板载荷试验）与数值模拟(ABAQUS)	1)土工格室有效减少沉降，较好的地基效果不明显 2）路基沉降速度在循环荷载下逐渐减小 3) 格室的布置位置对路基沉降有影响，双层土工格室加固效果最好	1)荷载速度尚未达到高速铁路标准 2)各轨枕荷载相同 3)模型没有设定网格控制方法，加载后期的结果与试验拟合不好	Satyal S R (2018) [27]
碎石	土工格室	800*6000*450(mm)	模型试验（三轴试验）	1)土工格室对道砟的影响在小围压、高荷载频率下显著，较大围压时格室不起作用 2）荷载频率增大引起沉降增大及达到稳定沉降的加载次数增大 3) 布设土工格室允许列车提速5%~20% 4)土工格室增大道砟层弹性模量，降低12%~25%的沉降	1)单点加载，与实际的轨道受力情形不符 2)试样模型只有道砟层，与实际轨道断面不符 3）没有对土工格室的布置与几何参数进行寻优	Indraratna B (2015) [28]
碎石	土工格室	800*6000*500(mm)	模型试验（拉拔试验）与数值模拟(ABAQUS)	1)土工格室加固可以提供较大的被动阻力 2）相较于直剪试验，土工格室在拉拔试验中会在更大的被动阻力下屈服 3) 土工格室加固对承载力的提升大于平面土工合成材料	1)每种加载情况下，荷载为恒载，不能够模拟出列车荷载的高频振动特性 2)土工格室是有土工膜或土工格栅立体拼装而成，侧向存在较大孔隙 3)没有对土工格室的布置与几何参数进行寻优	Biabani M M (2016) [29]
骨料和砂子	土工格室	1000*840*1240(mm)	数值模拟(FLAC3D)	1)发展了用于模拟土工格室加固砂土路的三位力学经验模型 2）提出用于分析估计基础层压密残余应力的改进的滞回K0加载模型	1)在整个模拟中，围压时定值 2)土工格室的形状简化为了菱形	Yang X (2013) [30]
砂子	土工格室和格栅	900*900*600(mm)	模型试验（平板载荷试验）数值模拟(FLAC2D/3D)	1)表面有纹理的土工格室屈服性能优于光滑表面的 2）土工格室的抗拉强度对于传力给基床有重要影响 3)土工格室下方铺设格栅可以提高加固性能 4)等效复合材料方法建立的二维模型高估了加固地基的承载力	1)试验和模拟采用的是单调荷载 2)砂土的力学性能与碎石有差异	Hegde A (2015) [31]
软黏土、砂子	土工格室（格栅拼装、商品格室、竹制格室）	900*900*600(mm)	模型试验（平板载荷试验）数值模拟(FLAC3D)	1)对不同材质的土工格室进行了试验和仿真，建立了拥有真实蜂窝状结构、抗拉强度和表面粗糙度的模型 2）竹制格室加固效果最优 3)提高格室的抗拉强度、表面粗糙度，可以显著改善加固效果	1)试验和模拟采用的是单调荷载 2)砂土、软粘土的力学性能与碎石有差异	Hegde A (2017) [32]
碎石	土工格室和格栅	800*600*600(mm)	模型试验（三轴试验）数值模拟(ABAQUS)	1)道砟围压越小，土工格室加固效果约明显，围压达到30kPa时，土工格室基本没有加固效果 2）土工格室上的应力分布不均匀，加载阶段的最大拉应力出现在第二主应力方向上，且拉应力在加卸载循环中不断改变 3)土工格室约束道砟侧向位移效果显著，尤其是劣化道砟	1)整个试样受到同一形式的振动荷载，与真实的列车荷载不相符 2)格室形状简化为了多边形 3)没有研究格室位置对加固效果的影响	Biabani M M (2016) [33]
砂子、碎石、骨料	土工格室	800*800*120(mm)	模型试验（平板载荷试验）	1)土工格室加固不同试样可以提高初始弹性模量1.26~2.04 2）土工格室加固显著减少永久沉降，多层格室效果更好 3)土工格室加固粗颗粒材料可以更大程度增大其弹性，碎石与骨料在格室加固下最初10个循环荷载仅有10%塑性变形	1)整个试样受到同一形式的振动荷载，与真实的列车荷载不相符 2)试样侧限，围压状态与真实道砟不符 3)试样厚度过小，与格室加固道砟的实际情况不符	Pokharel SK (2017) [34]

1.2.2.4 沥青稳固

近年来，掺入沥青层稳固道砟的加固方式逐渐引起了设计人员的重视，这种加固方式是在道砟层中用热板沥青混合料浇筑一层沥青层，增强整个道砟层的刚度，以便于将列车荷载更好地分布到地基上，常见的两种铺设形式见图8。目前该种加固方式已在德国、法国、澳大利亚、意大利、日本、美国、西班牙得到了应用^[35]，对于有砟及无砟轨道均有良好的加固效果。沥青稳固已应用于美国BNSF双线高速重载轨道项目，在隧道、桥梁区段也得到了试验^[36]。

图8 沥青加固有砟轨道的两种形式[35]

1.2.2.5 夯实加固

夯实是通过对道砟的扰动、压密，使道砟之间的排列紧密、减少空隙，恢复其联接嵌挤作用，具体步骤见图9。既有研究表明，道砟在夯实过程中表现出记忆性，即道砟在夯实后迅速恢复到未夯实前的状态，导致压密道砟的几何再度损失^[37]。抬升轨道的高度超过道砟颗粒的d₅₀时，道砟的记忆性会明显降低；另外可以采用振动夯实法(DTS)，这种方法包括了道砟振动的步骤，这会引起一定的道砟初始沉降，这部分沉降大小可控，但是却能减小列车荷载施加初期的塑性变形。夯实有可能造成大量的碎石粉末，会降低道砟层的排水性，降低道砟颗粒间的摩擦，降低抗剪强度^[38,39]。

图9 夯实法加固道砟流程流程[40]

1.2.2.6 吹石填补

吹石填补法与夯实法的作用机理类似，均是希望通过对道砟的扰动、重排列，增强其内摩擦力和抗剪强度。不同之处在于，夯实法接触机械的冲击、振动作用压密碎石，因此有可能造成道砟的破坏；吹石法通过鼓入空气，将新的碎石吹入轨枕下方，替换一部分劣化的道砟，并对道砟挤密，由于不必使用机械压密，避免了碎石的破碎，具体流程见图10。文献^[40,41]对夯实法和吹石法的加固进行了实验室试验比较，结果表明吹石填补在减少道砟沉降、增强轨道结构整体的刚度与耗能特性上更加有效（见图11），同时在操作过程中可以更好地避免道砟劣化。尽管吹石填补的成本较高，但是从轨道全生命周期成本的角度出发，吹石填补可能比夯实加固更有效。

图10 吹石填补加固道砟流程[40]

图11 夯实法和吹石填补加固效果对比[41]

目前，吹石填补加固道砟的方法在英国、西班牙等国已经得到了一定应用。Sol-Sánchez M等人^[42]尝试在吹入的碎石中掺入橡胶颗粒，对不同橡胶材料进行了实验室试验，寻找最优的加固效果，该方法实际上参考了掺入弹性材料的加固方法，将吹石填补从单纯的恢复道砟颗粒联接转变为恢复联接、增强弹性、防止劣化综合的加固方法。

1.2.2.7 道砟稳定

道砟稳定加固措施是通过向道砟层表面涂抹、喷洒各种涂料、固化剂，然后让涂料与固化剂渗入道砟层内部，以起到减小道砟磨耗，增强道砟颗粒间联接的作用。固化剂通常为聚氨酯、异氰酸酯、树脂、乳化沥青等材料，这些材料普遍是热固性材料，因此有必要研究其温度稳定性。近年来，加固劣化道砟效果更好的道砟稳定材料正在不断研制中，如聚乙烯醇、水泥灌浆^[43]等。实验室试验^[44]表明，聚乙烯醇可以减少约50%的沉降（60万个循环），有效减轻了路基沉降对轨道不平顺性的影响。水泥灌浆的技术可以视为是有砟轨道向无砟轨道的一种过渡，通过向道砟层灌注细水泥浆，将整个道砟层板结为整体，几乎可以消除全部的沉降，这与无砟轨道不允许差异沉降的设计理念相符，但是同样的，采取这种加固方式，有砟轨道就失去了其易于改变调整等诸多优势。

1.3 总结

目前，国内外高速铁路的发展如火如荼，各国都争相投入研发力量攻克高铁建设的诸多难题，我国高铁由于自身发展的特殊性，缺乏技术的储备积累，尤其是有砟高速铁路的建设。路基沉降是影响铁路运营的重要因素，研究有砟高速铁路路基沉降的机理及加固方法，对于我国有砟高速铁路的建设大有裨益，同时也为我国的高铁输出进行技术储备。

有砟铁路沉降防治研究一直在进步发展，随着计算机的普及、新的力学分析方法的提出，对于有砟铁路沉降分析的数值模拟技术也急需进一步发展，这是进行有砟铁路优化设计的基础，既有研究对于有砟铁路加固措施的数值模拟仍有较大改进空间，因此有必要开展有砟轨道路基沉降的数值分析方法研究。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究的基本内容与目标

本文主要目标为应用有限元分析软件abaqus和颗粒流分析软件pfc，模拟有砟高速铁路在列车荷载作用下的沉降情况，研究土工格室对有砟轨道的加固效果和加固机理，对土工格室的布置及形式进行寻优，探寻最佳的土工格室加固有砟轨道的方法。主要内容如下：

1.论述了本文研究背景，介绍了有砟道床和无砟道床的发展、应用情况及各自特点的对比，介绍了常见道砟材料及适用条件，概述了有砟道床的作用和力学、变形特性，对既有有砟轨道加固方法进行了总结比较，指出了现有土工格室加固研究存在的不足，提出了选题的意义，并对本文的研究方法、研究目标、解决的关键问题和文章的结构梗概进行了说明。

3. 研究计划与安排

第1~2周。搜集资料，查阅国内外关于高速铁路有砟轨道沉降分析的文献，查阅土工格室加固有砟轨道的数值模拟的文献。

第3~4周。以软件为依托，学习有限元、离散元的计算理论与流程，阅读abaqus、pfc的帮助教程，了解其各项参数、各种分析方法、分析步骤的力学基础。

第5~9周。进行软件和相关编程语言的学习，了解建模的基本操作，子程序、参数调用的具体实现方法，进行abaqus、pfc数据之间的耦合，建立基本的模型，并进行模型正确性的验证。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 佚名. 世界各地高速铁路的现状和发展趋势[j]. 中国铁路,2015(9):95-95.