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原文传递格栅加筋散体道砟界面特性的离散元研究

论文题名：	格栅加筋散体道砟界面特性的离散元研究
关键词：	加筋道砟;离散单元法;界面特性;相互作用机制;荷载传递机制
摘要：	随着交通强国战略的扎实推进，我国铁路网规模不断扩张，急速增长的运输压力对铁路发展提出了高速、重载的时代需求。同时，作为铁路最主要的结构形式之一，有砟轨道在普速铁路及高速城际铁路上广泛应用。然而，道砟本身的散体特性决定了在高速高密度的列车循环荷载下不可避免的会出现颗粒磨耗、尖角折断等劣化现象，长期的变形积累也极易导致道床抗剪强度降低甚至侧向失稳。土工格栅因其具有独特网孔结构和较高的抗拉强度而被广泛应用于散粒料的工程补强上。格栅与其周围的道砟颗粒协同作用共同抵抗外部扰动，筋材出色的抗拉强度与砟体自身的抗压能力形成了有效互补。尽管筋材的引入有效地约束了道砟颗粒的侧向位移，但由于筋材-道砟界面相互作用过程中多因素交互影响的复杂性，其界面宏观抗剪性能劣化背后的细观机理仍不明晰。对于不同几何结构筋材的合理网孔尺寸选择仍缺乏相应的统一评价指标，对加筋道床筋-土界面的荷载分担、传递机制的理解也不够深入。这也在一定程度上制约了既有加筋土研究成果的转化。　　针对加筋道床筋-土界面相互作用机制分析的技术难点，本文以土工格栅加筋道床为研究目标，选取工程中常用的双向土工格栅以及各个方向上力学性能较为均衡的三向土工格栅作为加筋材料，充分考虑筋材几何特性和筋材-道砟间联动效应，采用颗粒流离散元数值模拟对加筋道砟拉拔荷载下的力学响应机制进行了深入的研究。选取精准标定的细观参数建立了加筋道砟拉拔试验模型。系统分析了道砟颗粒粒径及土工格栅网孔尺寸、节点强度对筋土界面抗剪强度的影响，以宏观拉拔强度量化了横肋的端承阻力。从能量演化机制分析入手明确了合理网孔尺寸选择的归一化指标；为进一步促进既有加筋散粒料研究成果的推广转化，从细观作用机制入手，着重分析了颗粒体系的承载结构演化规律和筋-土界面的荷载传递机理。揭示了筋材-道砟间联动响应机制，明确了其界面抗剪强度降低与颗粒体系荷载传递规律的内在关联。主要研究内容包括：　　（1）土工格栅几何特性对加筋道床性能的影响及归一化评价指标　　建立不同网孔尺寸和形状土工格栅的数值拉拔模型，研究格栅不同的几何特性对界面抗剪强度的影响，引入新的评价指标-格栅网孔内接圆与颗粒粒径比值完善不同网孔形式下的归一化评价体系明确了网孔的合理尺寸选择标准，促进相关优化成果的转化。　　（2）土工格栅节点突起与筋材-道砟界面响应机制的内在关联　　根据双向格栅与三向格栅的几何特征采用不同排列方式的节点副颗粒创建刚性颗粒簇模拟了格栅的节点突起，在考虑道砟级配结构的基础上，结合颗粒体系细观特征演化和宏观变形的发展探究节点突起对筋材-道砟界面特性的影响。　　（3）散体道砟颗粒体系承载结构的演化规律　　系统分析了加筋道砟体系在拉拔作用下的能量耗散机制，明确了颗粒体系承载结构重塑过程中伴随的能量耗散规律。并以摩擦耗能及筋材储能的变化为判断依据，结合颗粒体系位移场，揭示了加筋道砟体系界面强度变化与颗粒体系能量演化之间的内在联系。　　（4）筋-土强相互作用区域精准定位及加筋道砟荷载传递机制　　以可视化处理的筋材内力分布图和颗粒体系力链分布图为基准，结合拉拔过程中筋材内力发展和强力链发育过程对筋-土强相互作用分布范围进行了精准定位，确定强力链发育的区域。基于力链强度对该区域进行详细划分明确了荷载作用下筋材内力分布与颗粒体系荷载传递机制之间的相互关系。
作者：	贾亚飞
专业：	土木工程
导师：	贺武斌;苗晨曦
授予学位：	硕士
授予学位单位：	太原理工大学
学位年度：	2021