摘 要

铁路是我国最重要的交通大动脉，而有砟轨道一直都是铁路的传统结构形式，我国有砟轨道占铁路形式的80%以上，维护铁路的费用有很大一部分都是用于处理道床劣化，道床劣化会导致铁轨发生沉降甚至是不均匀沉降，而且近年来组成道床核心部分的道砟的价格越来越贵，因此研究清楚道床劣化机制并且找到能减轻道床劣化和降低道床沉降的方法就显得十分必要。

本文借助离散元软件PFC3D 建立轨枕-道砟箱模型，通过建立不同宽度和不同横截面的轨枕，详细研究了轨枕对有砟轨道道床劣化的影响，还建立了多轨枕-道砟箱模型与实际轨枕同等尺寸的单根轨枕-道砟模型对模拟结果加以佐证。通过离散元模拟得到的道床的沉降、应力状态、孔隙率和平均配位数变化等一系列数据对有砟轨道道床劣化机制进行了详细分析，所得到的主要结论如下：

1、本文构建的轨枕-道砟箱模型可以就很好的模拟有砟轨道道床服役过程的劣化状态，从模拟所得到的道床沉降和加载力滞回曲线有砟轨道道床具有弹性变形和永久性变形。然而，随着循环次数的增加，每个循环内的面积变小，塑性变形增量一般减小；

2、本文通过PFC3D本构模型中的黏性模型建立了温克勒地基模型，温克勒模型可根传递力的大小产生相应的塑形变形，而不仅仅只有弹性变形，因此可以更好的模型下部道床的基础部分，可对此温克勒模型进行标定，可更好的模拟真实地基。

3、轨枕宽度的不同对道砟道床的沉降有明显的影响，随着轨枕宽度的增加，轨枕对道床内部道砟有充分的约束，道砟道床的沉降是逐渐的变小，特别是从150mm到250mm时，从250mm到350mm与沉降和轨枕宽度变化几乎是线性关系，超过350mm，道床沉降基本不再发生变化；

4、通过对比不同截面形状的轨枕，对比分析轨枕传递上部荷载至道砟层的应力路径，以及轨枕的竖向沉降，探讨轨枕横截面对道砟沉降的影响；

5、建立单根全尺寸轨枕道砟箱模型，通过对比有侧压及无侧压条件下轨枕的竖向沉降，研究侧向压力对轨枕竖向沉降的影响；另外通过建立三根轨枕的加载箱模型，施加异相循环荷载模拟列车通过时的循环荷载，验证了异相荷载模拟真实轮荷载的可行性。

关键词：轨枕-道砟箱；道床劣化；离散元模拟；轨枕结构优化；道砟沉降

Abstract

Railway is the most important traffic arteries in our country, and have a frantic jumble orbit has been a traditional railway structure, our country has a frantic jumble of rail track in the form of more than 80%, the cost of maintenance of railway has a large part of the ballast bed degradation are used for processing, ballast bed degradation leads to track settlement even uneven settlement, and in recent years, form a core part of ballast prices more expensive, so the clear ballast bed degradation mechanism and find can reduce degradation and reduce the ballast roadbed settlement method is very necessary.

This article with the help of a discrete element software PFC3D sleeper - Ballast box model is established, through the establishment of different width and different cross section of sleeper, detailed study the sleeper effect on degradation of ballast has a frantic jumble orbit, also much sleeper - Ballast box model is established and the actual sleeper of the same size single sleeper - Ballast model to the simulation result for them. Through discrete element simulation, a series of data such as settlement, stress state, porosity and average coordination number change of ballast bed are analyzed in detail, and the main conclusions are as follows：

1.The sleeper-ballast box model constructed in this paper can well simulate the deterioration state of ballast service process, and the settlement of ballast and the hysteresis curve of loading force obtained from the simulation have ballast elastic deformation and permanent deformation. However, as the number of cycles increases, the area in each cycle decreases, and the plastic deformation increment generally decreases.

2.The viscosity model by PFC3D constitutive model in this paper the winkler foundation model was established, winkler model can be the root of the size of the heritability produce corresponding shape deformation, not only the elastic deformation, so it can better model the lower part of the basis of the ballast can be winkler model calibration, can better simulate the real foundation.

3.Sleeper width of different has obvious influence on ballast roadbed settlement, with the increase of the width of the sleeper, sleeper for internal Ballast have sufficient constraints, ballast roadbed settlement is gradually become smaller, especially from 150 cm to 250 mm, from 250 mm to 350 mm width change is almost linear relationship with settlement and sleeper, more than 350 mm, roadbed settlement basic no longer change.

4. By comparing the sleepers with different cross-section shapes, the stress paths from the upper part of the sleepers to the ballast layer and the vertical settlement of the sleepers are analyzed, and the influence of the cross-section of the sleepers on the ballast settlement is discussed.

5.A single full-scale sleeper ballast box model is established. By comparing the vertical settlement of sleeper under lateral pressure and without lateral pressure, the influence of lateral pressure on the vertical settlement of sleeper is studied. In addition, the feasibility of simulating the real wheel load with different phase loads is verified by establishing three sleeper load box models and applying different phase cyclic loads to simulate the cyclic load of train passing.

Key Words：Sleeper – ballast box; ballast degradation mechanism; discrete element

method; Sleeper structure optimization; ballast settlement

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 道砟的力学及几何物理特性研究 6

1.2.3 轨枕目前的研究现状 6

1.3 研究内容和研究目标 7

1.4 技术路线 8

第二章 有砟轨道路基的三维离散元模型 9

2.1 离散元方法 9

2.1.1 离散单元法简介 9

2.1.2 离散单元法原理 10

2.2 道砟外形颗粒簇模拟 11

2.3 本构关系以及参数选取 12

2.3.1 离散元本构模型介绍 12

2.3.2 参数选取 12

2.4 列车动荷载的模拟实现 13

2.5 有砟轨道路基模型构建 13

第三章 侧压对道床劣化的影响及多轨枕劣化机制研究 15

3.1 有无侧压条件下轨枕道床模型建立 15

3.2 多轨枕劣化机制研究 16

3.3 建立下部基础为温克勒地基模型的轨枕-道砟箱模型 17

3.4 本章小结 19

第四章 轨枕宽度对道床劣化的影响 20

4.1 不同宽度轨枕模型图 20

4.2 上部荷载与沉降的滞回线 21

4.3 不同宽度轨枕的沉降曲线 21

4.4 不同宽度轨枕的应力链图及与道床劣化的关系 23

4.5 道床初期急剧沉降原因分析 25

4.6 道床速度位移图对结果的验证 26

4.7 本章小结 27

第五章 轨枕横截面形状对道床劣化的影响 28

5.1 横截面形状模型图 28

5.2 不同横截面形状轨枕沉降曲线 29

5.3 不同横截面形状轨枕应力链图与道床劣化的关系 30

5.4 道床速度位移图对结果的验证 30

5.5 本章小结 31

第六章 结论与展望 32

6.1 结论 32

6.2 展望 33

参考文献 34

致谢 37

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

作为一种十分高效环保的交通方式，铁路是国家最重要的基础设施之一，是一种大众化的交通工具和国民经济发展的大动脉，是运输行业的中流砥柱。铁路的速度越来越快，而且铁路在运输量巨大的同时单位运输质量的油耗仅只汽车运输的二十分之一。近几年来国内铁路的快速发展更使得区域之间的联系更加密切，对社会和经济的协调可持续发展有着十分重要的促进作用:一方面,地方铁路里程的不断增长不仅方便了人们的出行，提高了旅行的乐趣,而且提高了人们工作和学习的效率,更深入挖掘了经济潜在价值;另一方面，铁路运输作为一种相对廉价的运输方式，能够让各种资源更有效地在国家和地区之间进行分配，使资源匮乏和偏远地区的发展充满活力。因此，大力发展连接省区经济圈的铁路具有极高的经济政治价值和深远的战略意义。我国的铁路虽然起点低并且发展时间较晚，但是其一直都保持着快速的发展，并且取得过多次重大突破和成就。截止至2019年1月10日，我国铁路营运里程突破13.1万公里，高速铁路营运里程更是超过了1.8万公里，稳居世界第一。

从全球范围来讲，无砟轨道还在发展阶段，而且优点没有缺点那么明显，但是有砟轨道单从成本低这个优点就一直受各个国家青睐，一直都是铁路形式中的主角，在其中扮演着最为重要的角色，目前仍然是铁路发展的主流方向。有砟轨道的总里程所占比例在大多数国家里都超过了90%，有砟轨道因成本低，建造速度快，维护成本低和实用性强等多个优点，使其在一些自然灾害、战争等极端条件下比起无砟轨道容易保证道路的畅通。另一方面，有砟轨道道砟道床自身离散性的结构特点也方便了之后的维修养护工作，极大的降低了维修维护费用；而且由于自身离散性的特点，道砟之间的孔隙也很大，其中的孔隙使得雨水能够直接通过，使得道砟道床同时具有足够的排水性能，能够有效防止道床的板结和结构的破坏。

在我国，传统有砟轨道相比无砟轨道分布范围更广，数量更多,然而，道砟自身的离散型易造成铁路轨道变形和破损，这种恶化主要表现在道砟颗粒的重排和破碎。道砟破碎致使应力重新分配，从而使轨道产生不同程度的沉降^[1-3]。研究表明，道砟破碎是道床沉降的主要原因^[4]。据相关资料和数据统计，百分之九十以上的轨道下沉都是由于道砟道床沉降引起的^[5-7]。

道砟散体道床状态劣化有三大主要形式：道砟粉化、道床脏污道床沉降。已有有大量研究表明，解决上述三种形式的道砟道床劣化的费用占有砟轨道线路的日常养护维修开支中的80%以上。国内外大量学者也早就针对这三种劣化形式开展了大量的研究工作^[8]。

本文主要针对道床劣化之一的道砟沉降进行研究。研究清楚道床劣化的机制可以对劣化道砟再利用和判断道砟是否为劣化道砟有很大意义，可以对我国铁路绿色发展有重要的意义。

1.2 国内外研究现状

道砟是有砟轨道道床的核心组成部分，属于级配碎石的一种，主要是在铁路运行过程中承受着上部列车传下来的荷载，扮演着着铁路地基的作用。道砟这个概念几乎是和铁路一起诞生于世上的，自从道砟服役之初至现在，针对道砟颗粒和道砟颗粒之间即道床的研究就从未间断过，包括道砟力学特性、道砟的真实模拟、道砟劣化、劣化道砟再利用、道砟破碎机理和道砟道床变形规律等多方面。

对道砟和道砟道床的研究有试验和数值模拟两种方式。试验能够真实的、直观的反映道砟和道砟道床的变形、沉降、破碎状况和劣化情况等。英国诺丁汉大学的McDowell^[9-11]拥有一套完备的道砟室内试验设备装置，McDowell等 (2004)描述了一个可以模拟道砟道床循环加载的箱形试验，该试验涉及在一个尺寸为700 mm x 300 mm x 450 mm的箱形中，将循环加载应用于压载道床上的模拟轨枕。图1.1为实验箱测试装置。该测试可以模拟图1.2所示的轨道段上的列车荷载，研究了道床的刚度、永久沉降和退化等性能。

图1.1 McDowell的道砟试验箱测试装置（Lim,2004）

图1.2 钢轨和枕木的平面图，以箱形试验所代表的截面图（Lim,2004）

铁路在受反复性或周期性下的荷载产生的轨道沉降一直都不是人们喜欢看到的场景。它可以由多种原因引起，包括路基沉降、道砟的致密化(道砟的破碎、道砟道床的横向扩展以及轨枕的损坏等)。根据Selig和Waters所做的研究^[12]，道砟对下部结构沉降的贡献比其他要素更显著(见图1.3)。

图1.3 对道砟道床的因素(Selig and Waters, 1994)

在对道砟道床进行的试验中，对轨枕部分进行McDowell等人(2004)描述的箱形试验是在受控实验室环境下研究循环加载铁路轨道行为的最简单方法。它允许测量重要的轨道变量，通过位于在循环加载过程中的轨枕处的位移传感器，如瞬时或永久的轨道沉降。Selig and Waters(1994)^[12]使用箱形试验来测量循环加载压载产生的水平应力，同样的，他们也深入分析了道砟道床的脏污成因和劣化机制，他们认为造成道床脏污的原因主要有三种：道砟在循环荷载作用下造成的破碎粉化及外部颗粒物质入侵造成的脏污占道床全部脏污原因的76%；底部道砟入侵道床占13%；道砟自带的脏污占7%，其他原因基本可以忽略不计。Lim^[13](2004)采用加载箱试验研究了夯实对道砟退化的影响，通过对轨道刚度、沉降和捣实后骨料粒度分布的一致性再现，证明了夯实对道砟道床退化的影响是可靠的。

澳大利亚卧龙岗大学的Indraratna^[14-16]团队同样也有一套完整的道砟箱体试验设备、大型道砟直剪试验设备和三轴试验设备，他们研究了新道砟和劣化道砟之间的关系，认为劣化道砟是因为新道砟颗粒相互运动和碰撞导致其尖角破碎，从而引起的道砟粉化，从而相对于新道砟道床产生了比较大的道床沉降，使得轨枕也往下部沉，所以轨枕也出现了较大的沉降，他们同时还研究了土木工程合成材料对道砟道床沉降及道床稳定性的影响。Suiker^[17]等人通过对道砟进行静、动三轴试验研究了道砟的物理力学性能，他们发现在循环荷载作用下道砟道床比在静荷载作用下的道砟道床却更为密实。

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