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铁路有砟道床力学特性及劣化机理研究

徐旸  
【摘要】:铁路有砟轨道是我国最主要的轨道结构形式之一,相比于无砟轨道,有砟轨道具有造价低廉、易于维修、在不良地质条件下、极端气候条件下适应性强等不可替代的优势。有砟轨道主要由一定级配的碎石道砟组成,在循环荷载作用下,碎石道砟颗粒会不断发生破碎、粉化以及外部粉尘入侵等现象,这将逐渐引起道床力学性能的退化。而道床力学性能一旦退化,就会引发道床力学性能的下降,产生道床纵向刚度不均匀分布,甚至轨道断面的几何形位失稳。如不能及时进行养护维修,就会导致线路不平顺的产生,威胁列车的行车安全。然而,由于组成散体道床的碎石道砟颗粒具有颗粒形状千差万别的特点,且道砟颗粒的形状、道砟集料的级配等细观因素会显著影响散体道床的力学性能,这使得散体道床在循环荷载作用下的力学行为极其复杂。但由于传统的研究手段难以精细化的考虑道砟颗粒的复杂外形,从而制约了散体道床相互作用及劣化机理的研究。针对这一不足,本文基于真实道砟颗粒外形三维重建的方法建立了精细化道砟颗粒离散单元数值模型,并采用室内试验与数值仿真相结合的手段,从细观、宏观相结合的角度对散体道床的劣化行为以及与结构间的相互作用机理进行了研究,本文的主要研究工作汇总如下:1.道砟颗粒复杂外形的三维重建及基于相似度算法的典型道砟颗粒的遴选建立了双平面镜视觉交汇还原算法与三维激光扫描法相结合的道砟颗粒外形三维重建平台,对复杂道砟颗粒外形进行了精确的获取;提出了道砟颗粒细观形状特征的精确量化方法以及基于归一化链码傅里叶描述子的形状差异度分析方法。以此为基础,基于大量道砟颗粒样本的分析结果,遴选了具有代表性的典型道砟颗粒,为散体道床数值仿真模型的建立提供了依据。2.精细化道砟颗粒离散单元数值模型的构建及修正提出了基于道砟颗粒三维外形重建结果的组合球单元重构方法,为道砟颗粒离散单元数值模型的建立提供了几何基础;提出了组合颗粒单元重叠质量及惯性矩的修正算法,以此对组合颗粒单元的本构力学模型进行了修正,并在此基础上建立了精细化道砟颗粒离散单元数值仿真模型。3.道砟颗粒的磨耗机理研究提出了基于真实外形的可破碎道砟颗粒离散单元数值模型的构建方法。并采用室内试验与数值仿真相结合的方法,从细观角度研究了颗粒外形对道砟磨耗性能的影响规律,并揭示了道砟颗粒粉化对散体道床的影响规律。4.道砟颗粒间相互作用及劣化机理研究研发了大型道砟剪切强度测定装置,探究了风沙入侵及常规道床脏污对散体道床剪切力学性能的影响规律。研究建立了相关数值模型,揭示了道床脏污及级配降级对散体道床剪切力学性能的影响,并在此基础上提出了能考虑不同线路条件及脏污材料力学特性的道床脏污评估指标。5.散体道床在循环荷载作用下沉降力学特性研究研究建立了双轴循环荷载道砟箱离散元数值模型,并设计了室内实验对数值模型进行了验证及参数标定。以此对不同线路条件下散体道床在循环荷载作用下的力学行为进行了研究,揭示了在循环荷载作用下散体道床的沉降力学机理。对已有道床沉降理论进行了分析,并在此基础上提出了更为优化的道床沉降预测公式。6.基于离散元有限差分法耦合的散体道床与下部基础荷载传递规律研究将离散元-有限差分耦合算法引入铁路有砟道床结构的力学分析中。分别采用离散元法对散体道床进行了模拟;采用有限差分法对连续介质的轨枕及轨下基础进行仿真。建立了基于三角形有限单元的离散单元法、有限差分法耦合过渡层本构力学模型,并通过对多种软件进行二次开发,实现了离散元、有限元、有限差分三种方法的耦合;针对高速及重载两种不同线路条件下散体道床及轨下基础的力学传递特性进行了深入分析,揭示了路基上散体道床在不同线路条件下的荷载传递机理。


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1 姚健博;地铁钢弹簧浮置板道床动力特性分析[D];兰州交通大学;2017年
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