基于最小投影的离散元道砟模型的粒径识别

道砟颗粒形状和粒径级配对道砟道床沉降和变形有重要影响,因此采用离散元法研究道砟道床沉降问题时,需要建立反映道砟颗粒形状的模型,并合理评估颗粒模型的大小。本文利用计算几何凸包理论,建立了随机凸多面体,以模拟道砟颗粒的形状;提出了基于最小投影矩形包围面的粒径评估方法,对道砟颗粒模型的粒径大小进行了分析,并基于道砟颗粒模型的包围长方体,分析了道砟颗粒模型的针状和片状情况。分析结果表明:随机多面体道砟颗粒模型能够较好地模拟道砟颗粒形状;采用最小投影矩形包围面的评价方法能够真实地反映多面体道砟颗粒模型的粒径,该评价方法比等效粒径评价方法更精确;利用道砟颗粒模型包围长方体的数值判别方法,能有效识别随机道砟颗粒模型的针片状情况,控制针状颗粒和片状颗粒的数量。     

捣固作业对道砟破碎伤损影响规律的试验研究

通过原位捣固试验研究了捣固次数对道砟破碎的影响规律,并对道砟颗粒的典型破碎形式进行了分析.结果表明:捣固作业会引起道砟颗粒发生明显的破碎伤损,进而导致道砟整体级配发生显著变化,应在有砟道床的养护维修中予以重点关注.捣固作业最容易引起56～63 mm粒径的道砟颗粒发生破碎.对于运营期道床,捣固作业导致的道砟颗粒破碎会使2...     

真实道砟颗粒的离散元建模及惯性特性优化

道砟颗粒外形及其惯性特性的模拟是进行有砟道床力学分析的基础。本文基于CT扫描技术提出一种可重复获得唯一道砟颗粒模型的离散元建模方法,该方法由基本球体最小半径Rlim和有效空间系数K控制,利用基本球体单元重叠组合模拟道砟颗粒的外形,计算程序与起始网格节点和计算顺序无关;选取关于质心的惯性张量作为优化目标,对基本球体进行差别分配密度,优化模型惯性张量;最终实现真实道砟颗粒的外形建模和模型惯性张量优化。分析结果表明:该建模方法和惯性特性优化能够满足道砟材料数值模拟计算的基本要求。     

基于离散元法的有砟道床阻力特性研究

研究目的:为探究道床纵横向阻力变化特征,本文通过进行现场原位试验并采用离散单元法建立道床-轨枕三维离散元模型,研究道砟级配、轨枕埋深、边坡坡度、道床肩宽对道床纵横向阻力的影响。研究结论:(1)道床纵横向阻力随着道砟级配变宽而增大,当道砟颗粒级配为包络线上下限中间插值及包络线上限时,道床纵横向阻力满足规范要求;(2)道床纵横向阻力随着轨枕埋深增大而增大,当轨枕埋深大于150 mm时,道床纵横向阻力满足规范要求;(3)随着道床边坡坡度变缓,道床横向阻力增大,纵向阻力基本不变,坡度为1∶1.75或更缓时,道床纵横向阻力满足规范要求;(4)随着道床肩宽增大,道床横向阻力增大,纵向阻力基本不变,当肩宽大于400 mm时,道床纵横向阻力满足规范要求;(5)本研究成果对于指导有砟道床设计、施工以及提高有砟道床力学性能具有参考价值。     

高速列车作用下道床表面风场特性研究

道砟飞溅严重威胁高速铁路行车安全,其受道床表面风场特性影响明显。本文采用计算流体动力学方法,建立精确考虑轨道和车底外形的精细化仿真模型。基于验证后的模型,研究道床表面风速/风压空间分布规律,拟合分析行车速度、道床面高度和砟肩堆高对流场特性的影响,给出飞砟防治建议。研究结果表明:轨枕顶面和道心处风速/风压值较大,易发生道砟飞溅;轨道表面风压幅值与车速的平方成正比,与道床面高度、砟肩堆高成线性关系;若道床面高度、砟肩堆高均降低50mm,道床表面风压幅值将分别降低29.4Pa和9.7Pa,降低道床高度的效果更明显;道砟颗粒上、下表面压差是道砟飞溅发生的根本原因,可通过控制道床表面风压幅值、提高表层道砟稳定性等措施避免道砟飞溅。     

铁路道床振动特性的三维离散元分析

研究目的:铁路碎石道床是一种典型的散粒体结构,为突出考虑道砟颗粒的散体特性,运用离散元法建立轨枕-道床空间耦合的颗粒流模型.通过加载高速列车动荷载时域谱,研究铁路道床在高速行车条件下的振动特性和道砟颗粒的动态响应.研究结论:通过建模和计算,将计算结果与已有试验结果相对比,验证了模型的正确性;在此基础上对铁路道床的振动特性进行分析,结果表明:动荷载作用下道砟之间的接触力按近似45°角的规律传递;相邻轨枕下方道砟颗粒的振动加速度和道砟接触力存在振动叠加作用,道砟颗粒的振动加速度、道砟接触力及道砟颗粒动位移随道床深度的增加而递减.     

循环荷载频率对高速铁路有砟道床累积变形行为的影响

为研究高速铁路有砟道床因反复承受高频率的列车荷载作用而劣化及累积变形的规律,利用离散元分析软件PFC并考虑道砟颗粒的真实几何形态,建立高速铁路有砟道床三维离散元模型,模拟分析不同频率、不同幅值循环简谐荷载作用下道床的累积变形,并通过统计分析道砟颗粒的重排行为,从细观层面探讨荷载频率对道床累积变形行为的影响机理。开展高速铁路有砟道床的室内实尺模型累积变形试验,验证道床离散元模型的合理性和模拟结果的可靠性。结果表明:在相近的荷载工况下,模拟分析获得的道床累积变形结果与实尺模型试验结果较为吻合;循环简谐荷载的频率低于15 Hz时,道床的累积变形主要由道砟颗粒间的相对接触滑动引起,但累积变形及其增长速率均不大;当荷载频率提高至20 Hz以上时,道床的累积变形及其增长速率随荷载频率的提高而快速增大,且其主要原因是道砟颗粒发生了剧烈转动。     

基于离散元法的列车运行速度对有砟道床工作性能影响的研究

不同的列车运行速度会使轨道结构产生不同的响应,列车运行速度越快,产生的振动和空气动力响应越大,会加剧道砟颗粒的磨耗、粉化,甚至道砟飞溅,进一步影响道床的稳定性和列车运行的安全性.为了更好地了解列车运行速度对道床工作性能的影响,采用离散元法对道床进行模拟,通过道床纵横向阻力试验数据验证模型的可靠性,并在此基础上分析和研究动力荷载作用下道砟位移、颗粒振动加速度随列车速度、道床深度、道床不同横向位置的变化趋势,从微细观层面了解道砟颗粒在不同工况下的工作性能.研究结果表明:道砟加速度和道砟颗粒位移在不同轴重和行车速度下的变化趋势相同,均是在轨下位置的道砟加速度最大、道床砟肩的位移值最大;在动荷载作用下,道砟颗粒均有向外运动的趋势,轨枕附近的道砟位移扰动较大,外围道砟在墙体约束作用下位移较小.     

冲击式人工捣固装置对有砟道床作用效应及质量状态影响研究

人工捣固作业是实现小区段线路日常养护维修的重要方式之一,可有效改善轨道几何形位、缓和线路不平顺、保证列车运行安全性。然而目前人工捣固装置进行养护维修作业主要依赖现场工人的工程实践经验,缺乏相关理论研究。为研究有砟道床人工捣固装置作业工作机理,借助离散元素法(DEM)-多体动力学(MBD)耦合方法,建立人工捣固装置-轨枕-有砟道床耦合仿真模型,并在现场开展人工捣固作业前后横向阻力试验,验证了模型的可靠性,分析人工捣固作业对道砟颗粒接触力及道床密实度的影响。结果表明：人工捣固作业会使道床横向阻力降低19.51%,道床横向稳定性减弱;捣入阶段会使道砟间接触力分布发生明显变化,其中,水平平面接触力分布由近似圆形向椭圆形变化分布,纵向平面接触力则由半圆形向花束形变化分布,颗粒间接触关系不断变化,逐步建立新的稳定传递关系;捣固作业会使道砟颗粒受迫运动,使枕盒及砟肩处密实度降低。因此,在人工进行捣固作业后应及时补填枕盒处道砟颗粒,并对砟肩处道砟进行拍实。     

高速铁路胶粘道砟固化道床的动力学特性

采用ABAQUS有限元软件建立车辆-轨道空间耦合模型,对列车荷载作用下的胶粘道砟固化道床的动力学特性进行仿真分析,并探讨道砟胶用量和固化深度对道床动力学特性的影响。研究结果表明:采用胶粘道砟能够显著提高道床的振动加速度和动应力,降低道床的垂向位移,且动力性能的改善与道砟胶用量和道砟胶固化深度呈正相关关系。     

重载铁路有砟道床捣固作业参数的合理取值

根据朔黄铁路（朔州—黄骅）大型养路机械捣固作业实际情况,建立捣镐群和有砟道床的耦合模型,模拟大型养路机械捣固作业,分析捣固参数（捣镐振动频率、插镐速度、插镐深度）对道床密实度、道砟配位数、道床垂向刚度的影响,进而确定捣固参数的合理取值。结果表明：与捣固前相比,捣固后道床状态参数有所增加,道床密实度增幅在11.34%～13.21%,道砟配位数增幅在0.72%～4.34%,道床垂向刚度增幅在6.56%～64.27%,说明在一定范围内改变捣固参数对道床密实度和道床垂向刚度的影响比较明显,而对道砟配位数的影响不大;捣镐振动频率、插镐速度、插镐深度均主要影响道床垂向刚度;朔黄铁路捣固作业参数的合理取值为捣镐振动频率35 Hz,插镐速度1.0 m/s,插镐深度25 mm。     

复合轨枕道床横向阻力增强方法

为解决复合轨枕道床横向阻力不足的问题,基于复合轨枕材料和结构,提出横向阻力增强方案。采用3D扫描技术生成道砟颗粒模板库,构建轨枕-道床离散元三维模型,模拟分析了各种纹理复合轨枕对道床横向阻力的分担规律及其增强效果,并从细观层面分析了轨枕与道砟颗粒相互作用机理。结果表明:与普通条形复合轨枕相比,A1型,A2型,A3型,A4型,A5型纹理复合轨枕道床横向阻力可分别提高9.3%～11.4%,17.8%～23.6%,27.4%～32.0%,16.6%～21.8%,17.7%～21.2%;在复合轨枕与道砟接触表面设置纹理可增强轨枕表面与道砟颗粒之间的咬合,有效增大轨枕底面与道砟颗粒接触数目及轨枕侧面与道砟颗粒间平均接触力,提高枕底及枕侧阻力。     

米轨轨枕不同部位横向阻力分担比的数值模拟

研究目的:为了研究米轨混凝土枕和钢枕横向阻力分担情况,本文采用离散元法分别建立米轨混凝土枕和钢枕有砟道床模型,并通过单根轨枕横向阻力试验验证离散元模型的正确性,进一步研究米轨混凝土枕、钢枕横向阻力分担比例。同时在离散元模型不同部位建立测量圆监测道砟孔隙率,探究轨枕横向移动过程中不同部位道砟密实度变化规律。研究结论:(1)米轨混凝土枕枕端和枕底提供了约79%的道床横向阻力,与道砟颗粒接触面大的轨枕侧面道床阻力占比较小,可以采用密实和部分胶结等方式使枕心道砟充分参与作用;(2)米轨钢枕枕端提供了约60%的道床横向阻力,枕底提供了约30%的道床横向阻力;(3)米轨混凝土枕道床横向阻力主要来源于轨枕与底部道砟颗粒的摩擦作用和砟肩道砟的压力作用,而米轨钢枕道床横向阻力主要来源于枕腔内部道砟的挤压摩擦作用和砟肩部位道砟的压力作用;(4)本文结论可为米轨无缝线路的设计和养护维修提供参考和借鉴。     

重载铁路道砟清洁度对聚氨酯固化道床力学性能的影响北大核心

道砟颗粒表面清洁度分别取0.17%、0.50%、0.70%、1.00%,通过室内实尺模型疲劳试验,分析500万次疲劳荷载作用下聚氨酯固化道床沉降、道床静态模量的变化规律以及轨枕与道床的黏结性能。结果表明,当道砟清洁度超过0.50%后,聚氨酯固化道床沉降明显增大,道床静态模量无明显变化,轨枕与道床黏结性能变差。建议聚氨酯固化道床施工时,在道砟装载、运输过程中采取措施防止道砟二次污染,上砟整道时采取少捣多稳工艺,确保固化道床浇注前道砟清洁度在0.50%以内。     

基于力学平衡原理飞砟机理与防治研究

从微观力学原理上,通过力学平衡法则,揭示轨枕－道砟－列车风相互作用力学特性与作用机理,建立飞砟力学平衡机理模型,阐述相关函数含义与工程意义,并研究其参数敏感性影响规律。研究结果表明：飞砟受到道砟颗粒形状、质量、密度单体特性和散体密实度、道床断面形状散体特性、轨枕动力学与空气动力学特性以及列车风动力学特性等影响,该飞砟力学机理模型可以用来优化道床结构形式与道砟参数,指导防治措施与方法。     

不同含泥量与含水率下铁路板结道床的冻胀特性

洁净的道床不产生冻胀,但如果道床中混入粉黏土颗粒大于12％～15％时也能产生冻胀.本文通过室内板结道床道砟中粉黏粒含量的测试,以及对不同含泥量、不同含水率下室内冻胀试验的分析,找出板结道床的冻胀特征.研究结论:通过室内板结道床道砟中粉黏粒含量的测试,以及不同含泥量、不同含水率下室内冻胀试验分析,指出了道砟中由于粉黏粒含量超标引起的冻胀率一般小于4％,道床冻胀是道砟含泥量和道床内含水率共同作用的结果,在做好防排水的同时还要注意到含泥量对道床冻胀的影响,道床的弱冻胀性对铁路线性工程措施危害性大于普通建筑物,应引起足够的重视.     

考虑颗粒破碎效应的道砟大型直剪试验研究

研究目的:级配碎石被广泛应用于铁路工程,在列车循环荷载和应力集中作用下颗粒破碎在所难免,并导致路基不均匀沉降,而关于碎石高应力下的颗粒破碎特性及破碎对碎石强度影响的研究较少。本文利用大型直剪仪首先对三类初始级配的道砟开展高应力下的一维压缩试验,探究高应力水平下道砟颗粒破碎及级配演化规律,然后对不同破碎状态的道砟开展大型直接剪切试验,探究颗粒破碎程度及颗粒级配状态对碎石强度的影响。研究结论:(1)颗粒破碎量随着压缩次数和粗颗粒含量的增加而增加;(2)随着颗粒破碎的加剧,细颗粒含量增加,级配曲线抬升,颗粒破碎会使材料级配朝着分形的方向发展;(3)颗粒破碎会削弱颗粒之间的咬合作用,从而降低道砟材料的内摩擦角;(4)本研究结论可为相关工程实践和颗粒破碎问题的研究提供参考。     

道砟压实质量与颗粒运动关联特征及内在机制研究

级配较为均匀的道砟其捣固(压实)质量对铁路有砟道床的服役性能起着至关重要的作用.然而,目前尚无统一的标准或规范可用于指导和控制道砟捣固(压实)参数选择,传统的路基填料压实也未能考虑散体颗粒的自组织行为和细观运动特征等.基于正交设计方案开展缩放道砟级配的室内旋转压实试验,在试样的不同位置预置了新型智能颗粒传感器用于监测旋转压实过程中颗粒的运动参数,揭示道砟压实质量与颗粒运动参数的关联特征,从颗粒细观运动角度探究压实机理,提出考虑颗粒细观运动特征的压实度控制新指标.研究结果表明:智能颗粒传感器可用于测量旋转压实过程中粗颗粒的细观运动参数;3个方向的相对旋转模式与旋转压实过程中试样干密度和高度的变化直接相关,据此可将压实过程分为初始压实、旋转压密和稳定压密等3个阶段;试样上部位置处智能颗粒传感器的相对转角可作为新的压实度控制指标.研究成果有望为铁路道砟的室内外压实技术选取和压实质量控制提供技术参考和指导.     

吹砟车维修机理离散元仿真与应用

研究目的:吹砟车维修在轨枕下方补充硬质小道砟,避免捣固道砟和破损,工程实践上能消除道砟记忆效应。但在微观力学层面缺少对吹砟维修作业方式和效果应用研究,为微观力学层面研究吹砟车工作原理与养护效果,采用颗粒流离散元方法建立道砟-轨枕三维箱体模型,其中采用与道砟颗粒大小一致不规则球体组合代替道砟,借以更加真实模拟道砟颗粒之间咬合力,在轨枕单调加载下研究吹砟养护前后道床力学特性。研究结论:吹砟维修作业前后微观力学分析表明,吹砟车维修能降低轨枕-道砟接触层作用力,对轨枕-道砟沉降影响不大,从数值原理上定量揭示吹砟车维修作业力学原理;与捣固维修作业相比,吹砟维修是一种效率高、成本低、开通速度快、环保维修方法。     

轨道框架对散粒体道床非线性纵向阻力影响的试验研究

为深入探索轨道框架对道床非线性纵向阻力的影响,通过建立足尺模型,采用轨道框架法测试道床纵向阻力-位移关系曲线,从轨枕数量、屈服位移、屈服阻力等角度研究轨道框架纵向变形机理,获得轨道框架下道床纵向阻力非线性力学特征。在此基础上,建立轨排结构道床纵向阻力均值计算方法。结果表明:轨道框架道床纵向阻力值明显小于各轨枕阻力之和,且随着轨枕数量与屈服位移取值的增加,差异逐渐增大;当轨道框架沿纵向移动时,道砟颗粒呈现出不规则的运动规律,轨道框架中间位置处颗粒运动的不规则性相对两端较弱,且颗粒位移扩散角较小;轨排结构道床阻力均值计算方法可以较为合理的预估出阻力值的大小,且随着轨枕数量的增加,道床阻力均值趋于稳定。