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基于离散元法的高速铁路有砟道床力学特性研究

罗奇  
【摘要】:有砟轨道是一种重要的轨道结构型式,它以突出的优点在全世界得到了广泛应用。然而,我国对高速铁路有砟轨道的研究存在很多不足,许多关键科学难题尚未解决,传统的有限元法无法分析散体道砟的许多重要问题,如道砟级配、颗粒破碎、道床纵横向阻力等,导致对高速铁路有砟道床的力学机理认识不足,严重影响了有砟轨道在高速铁路中的推广应用。 本论文针对当前研究的不足,在综合分析国内外有砟轨道应用和研究的基础上,利用离散元法,建立了有砟道床三维离散元模型,并结合静态和动态试验结果,从试验和数值仿真的角度对高速铁路有砟道床的力学性能进行了研究,针对高速铁路有砟道床的劣化提出了有益建议。本文的主要工作和成果如下: 1、系统地研究了道砟参数对道床力学性能的影响规律 铁路道砟属于离散颗粒,其粒径大小、道床密度、颗粒摩擦系数和道砟级配等参数对道床的力学性能有显著影响,国内外尚未对道砟基本参数进行全面系统的研究。本文基于颗粒离散元理论,利用PFC3D中的球体单元,建立了高速铁路有砟道床三维离散元模型,首次系统地研究了道床密度、道砟摩擦系数和道砟级配等参数对道床力学性能的影响,并分析了道床纵横向阻力的变化规律。 2、建立了基于可破碎道砟cluster的道床离散元模型,分析了循环荷载下道砟颗粒的破碎规律 在高速列车的反复冲击荷载下,铁路道砟会发生粉化和破碎,严重影响有砟道床的力学性能,国内外对铁路道砟的破碎机理研究存在不足,对于道砟破碎和道床劣化过程不明晰。本文基于PFC3D,通过自编程序建立了可破碎颗粒组合体cluster,研究循环荷载下道床的力学性能,重点研究了道砟颗粒破碎位置和破碎数目,并分析了荷载频率、荷载峰值和bond键粘结强度对道床力学性能的影响。 3、建立了弹性轨枕-道床离散元模型,研究了弹性轨枕对延缓道床劣化的作用机理 高速铁路有砟道床在桥梁、隧道处往往出现道床厚度不足、刚度过大的问题,弹性轨枕是增加道床弹性的一种有效方法,既有的研究多是采用有限元法分析弹性轨枕对道床力学性能的影响。本文采用离散元法,建立了弹性轨枕-道床离散元模型,分析了循环荷载下弹性轨枕对道床振动、道砟破碎等的影响。同时,还进一步研究了弹性轨枕枕下胶垫刚度、胶垫密度和胶垫摩擦系数对弹性轨枕性能的影响,为弹性轨枕枕下胶垫参数选择提供了合理的建议。 4、建立了土工格栅离散元模型,从细观角度研究了土工格栅与道砟颗粒间的相互作用机理 道床沉降是影响有砟道床养护维修周期的一个重要因素,土工格栅作为一种散体颗粒的加筋材料,可显著增强颗粒间的咬合力,并减小道床沉降。国内针对土工格栅在铁路有砟道床中的研究较少,本文采用PFC3D建立了土工格栅离散元模型,通过单向拉伸试验合理地确定了土工格栅中球体间的接触参数,并建立了土工格栅拉拔实验数值仿真模型,深入分析了法向压力、格栅尺寸、摩擦系数对拉拔阻力的影响;同时还建立了道砟箱数值仿真模型,研究了铺设格栅对道床力学性能的影响,并进一步分析了格栅铺设位置、格栅尺寸和摩擦系数对土工格栅发挥其性能的影响。


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