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原文传递基于离散元的有砟道床横向阻力及宏细观特征研究

论文题名：	基于离散元的有砟道床横向阻力及宏细观特征研究
关键词：	有砟道床;横向阻力;离散单元法;稳定性分析
摘要：	有砟轨道因其适应性强的优点被广泛应用，是我国现阶段主要的轨道结构形式之一。充足的道床横向阻力是保证列车平稳安全运行的重要因素，是防止有砟轨道无缝线路胀轨跑道的必要条件，其大小主要受道床尺寸参数、道砟级配、轨枕与道砟接触应力的影响。我国的有砟轨道系统高速化、重载化发展，对有砟道床横向稳定性提出了更高层次的要求。本文以道床横向阻力为研究对象，综合考量了国内外道床横向阻力的研究现状及当前研究的不足，利用离散单元法建立了有砟道床模型，围绕轨枕加载数量、道床断面、轨枕支撑状态及循环荷载对道床横向阻力及宏细观特征的影响展开研究。主要研究内容及成果如下：　　（1）基于离散单元法建立了有砟轨道结构离散元模型　　基于已有的道砟三维激光扫描数据，使用clump法随机挑选五种实际道砟不规则廓形，生成对应的道砟颗粒簇模型；基于Hertz-Mindlin(Noslip)接触理论建立了离散元有砟道床模型。在此基础上开展了道砟颗粒休止角仿真标定及道床纵横向阻力验证，证明了有砟道床离散元模型的可靠性。　　（2）开展了轨排作用下不同道床断面的道床横向阻力及宏细观特征研究　　基于验证后的有砟道床模型开展了道床断面及轨枕加载数量对道床横向阻力及宏细观特征影响的研究。研究发现，道床横向阻力按照标准断面、无堆高断面、坡度1∶1.5断面、CH145断面模型顺序依次降低，且道床道砟颗粒越饱满阻力越大，道床所受轨排效应越明显；从道床断面的角度分析，砟肩堆高及更缓边坡坡度均可提高枕端阻力，但更陡的边坡易造成枕端区域道砟的流动，而砟肩堆高的降低可有效控制砟肩部位的道砟迁移，枕心道砟饱满度的减少虽可降低枕心道砟的运动，但枕侧阻力却有明显损失也不利于轨道几何形位的保持。　　（3）开展了不同轨枕支撑状态下道床横向阻力及宏细观特征研究　　基于建立的有砟道床模型研究了轨枕支撑状态及轨枕加载数量对道床横向阻力及宏细观特征的影响。研究发现，全支撑、轨枕边缘无支撑、轨座无支撑、轨枕中心无支撑的道床横向阻力大小分别为14.07kN、11.47kN、9.01kN、12.44kN，表明了轨枕中部支撑状态重要程度高于轨座位置高于轨枕边缘位置；不同轨枕支撑状态下道砟运动存在明显差异，支撑状态的差异对道床造成的扰动影响程度是不同的，尤以轨中支撑状态的减弱使道砟运动变化剧烈；此外，轨枕中心支撑的恶化造成了枕底及两侧的接触力链变化尤为剧烈，对道砟颗粒受力影响巨大，养护维修中需多注意轨枕不良支撑状态，尤其是防止轨枕中部支撑状态恶化的出现。　　（4）开展了循环荷载作用下道床横向阻力及宏细观特征研究　　基于有砟道床模型研究了列车循环荷载及轨枕横向往复运动对道床横向阻力及宏细观特征的影响。研究表明，在列车循环荷载的作用下，轨枕沉降量随着荷载呈现周期性变化，沉降曲线会随着加载次数的增加逐渐趋于平缓；道床横向阻力会随着加载次数及频率的增加而增加，其中高频荷载导致的阻力增加最大，30Hz频率加载时阻力增加了3.21N；随着列车荷载加载次数、频率的增大，临近轨枕的道砟运动有明显的增长，且高频振动使道砟运动加速，严重时可能造成道床流变等现象。随着轨枕往复运动的加载次数、频率及位移幅值的增大，道床横向阻力不断减小，尤以高位移幅值导致的阻力衰减最大，10mm位移幅值时的阻力减小到了6.4kN；随着轨枕往复运动的加剧，道床表面扰动面积及道砟运动均有明显增长，不利于道床稳定状态的维持，其中尤以对砟肩部位的影响最为显著。
作者：	杨韶将
专业：	道路与铁道工程
导师：	王英杰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2023