目前以客运高速化和货运增重化为特征的现代铁路网已成为我国铁路发展的发展趋势。然而既有有砟轨道路基设计标准低，病害多，抗振和衰减动应力能力差，高速或重载列车通过时必然会增加动应力，使道砟相互作用发生错位，重新排列，磨损破碎以及致密化，导致道床退化现象的发生。而道砟层的恶化，又会导致铁路变形和不均匀沉降，进而影响列车的运行安全甚至导致铁路频繁中断和维护。 因此开展快速重载列车下的道床劣化发展规律和有砟轨道工作性能提升的研究，对减少有砟轨道维护工作盲目性、确保线路运行安全有重要意义。

散体道床从服役伊始，其力学、物理状态就是一个不断劣化的不可逆过程，有道砟粉化、道床脏污、道砟沉降是散体道床状态劣化的三大主要形式。国内外学者针对这三种劣化形式开展了大量的研究工作。S.LoBo-Guerrero进行了循环荷载下道砟劣化的离散元数值模拟，认为道砟颗粒破裂产生的沉降是造成轨枕沉降的主要因素。Indraratna对比分析了劣化道砟与新道砟的物理力学性能差异，发现劣化道砟由于尖角的破裂与消失，相对于新道砟产生了较大的轨枕沉降，并采用三轴试验研究了±工合成材料对増加劣化后散体道床动态稳定性及减少道床累积沉降的效果。ＭｃＤｏｗｅｌｌ和Ｌｕ啲团队在英国诺丁汉大学拥有完备的道砟试验设备，如道砟箱体和动三轴试验设备以及整体道床试验平台，探究了荷载作用下道床强度及变形规律。澳大利亚伍伦贡大学的Ｉｎｄｒａｒａｔｎａ团队［６，１Ｇ，１２］有道砟箱体试验设备、直剪试验设备和三轴试验设备，如图１－３所示，研究了新型复合材料，如土工布、土工格栅和土工格室等对劣化道砟和脏污道床的固化作用。

针对散体铁路道床在轨道中存在的流变力学特性，高亮等开展了比例轨道结构模型的实验研究和理论分析，给出了有碴道床流变理论模型本构关系，。部春华和周顺华等利用实尺有碴轨道模型试验系统，研宄了人为设定的路基不均勾沉降对有碴轨道沉降的影响，铁轨表面的不均匀沉降与路基的沉降有直接关系。季顺迎等通过循环加载方式，进行了准静态压缩试验，获得了不同含沙量下道適混合体的沉降值与弹性模量，并分析了沙体存在对道床沉降的影响。

北京交通大学的井国庆紧随国内外铁路发展趋势，针对铁路热门问题，如高速铁路飞砟、风沙线路和冰雪线路等，开展了一系列试验，如道砟风洞试验、道砟排水试验、道砟冻胀试验、道砟直剪试验和道砟三轴试验，研宄了不同条件下道砟的基本力学特性、脏污道床的排水特性及道砟胶、土工格栅对道砟的稳定、固化作用，推动了复合有砟轨道结构的发展。井国庆专注于有砟道床研宄，著有《铁路有砟道床》，对有砟道床的的物理力学特性、道床脏污老化、道砟胶应用以及道床变形特征和捣固维修进行了全面而详细的阐述。

河海大学石崇老师的主要研宄方向是岩石多尺度数值仿真和岩石动力学，著有《颗粒流数值模拟技术与实践》。本书基于离散元原理，介绍了颗粒流ＰＦＣ２Ｄ／３Ｄ数值模拟方法及原理、探讨了颗粒流数值模拟时参照标定规律及经验处理原则和颗粒流数值模拟的难点及发展趋势。

北京交通大学的姜卫利通过建立四边形的二维道砟颗粒模型，较早地探讨了离散单元法在有砟道床研究中的应用。井国庆利用离散元软件编译程序随机生成不同形状的不规则球体簇ｃｌｕｍｐ和ｃｌｕｓｔｅｒ，建立了道昨三维直剪试验和三轴试验模型，从细观角度分析了道砟的接触状态和道砟破碎机理及位置。同时，还利用ｂｏｎｄ键来模拟道砟胶对道床的加固作用，研宄发现：道砟胶可提髙道床承载力，降低道床沉降量。

综上所述，限于研究手段，己有的数值仿真研究多是对道砟颗粒单元的整体破裂行为进行模拟，而针对于道床初期急剧沉降的机制和循环荷载下各轨枕与道砟间的受力状态模拟研究目前尚未有人涉足。

2. 研究的基本内容与方案

研究对象主要是道砟道床、轨枕以及道砟-轨枕系统在不同循环荷载下的动力响应，从而研究其劣化机制。

主要研究方法是运用离散元DEM中的PFC3D软件对其进行仿真模拟，模拟不同形状clump颗粒的道砟以及异型结构的轨枕模型生成办法和编写一套单轨或者多轨枕的道床循环加载程序。建立三维单轨枕或多轨枕有砟轨道模型，把上述道砟模型应用到 “轨枕-道砟箱”动荷载模拟中，研究道床初期急剧沉降的机制，预测重荷载（大载重）和高频率（高速）荷载对道床劣化的影响，并提出引起道床塌陷的临界速度和载重。

1. 赵金凤. 铁路道碴力学特性的离散元分析[D]. 大连理工大学, 2014.

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