高速铁路散体道床宏细观力学行为

高速铁路基础研究与技术创新丛书

编委会

主任委员:

卢春房

委员:

翟婉明杜彦良李椿萱周黎李迎九

王滨刘为群赵鹏盛黎明丁叁叁

高亮唐涛白明洲

国家出版基金项目

“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目

高速铁路基础研究与技术创新丛书

基础理论与基础技术系列

高速铁路散体道床

宏细观力学行为

本丛书编委会总主编

赵春发翟婉明张徐著

井国庆主审

中国铁道出版社有限公司

年北京

2022·

内容简介

本书为高速铁路基础研究与技术创新丛书之分册本书内容基于作者所在课题组近年来使

“”。

用离散单元法有限差分法和车辆轨道耦合动力学理论开展的道床宏细观力学行为模拟研究成

、

果以及高速铁路道砟集料试验和-全尺寸道床模型试验研究成果全书共章第章绪论回顾了

,。,

近年来散体道床理论与试验研究进展论述离散单元法的基本原理第章7论述了道1床离散元建模

,,

方法及模型参数的标定第章分别论述高速铁路道床宏细观动态2响应特性高速铁路散体道

,、

床累积变形及道砟劣化形式3和~5有砟轨道过渡段宏细观力学行为第章论述道床动力稳定过程中

,

的力学行为与性能演变第章展望了道床力学行为分析与调控技术6发展趋势

,。

本书内容紧扣轨道工7程实际理论探索性强适合铁道工程领域科研人员和工程技术人

,,

员工务运营维护与管理人员参考也可作为高等院校铁道工程岩土工程载运工具运用工程

、,、、

等专业研究生和高年级本科生的教材或参考书

。

图书在版编目CIP数据

()

高速铁路散体道床宏细观力学行为赵春发翟婉明张徐著北京中国铁道

/,,—:

出版社有限公司.

,

高速铁路基础研20究22.与4技术创新丛书基础理论与基础技术系列

()

十四五时期国家重点出版物出版专.项规划项目

“”

ISBN978-7-113-28857-0

高赵翟张高速铁路轨道铁路道床动力学

…………()

研究Ⅰ.①Ⅱ.①②③Ⅲ.①----

Ⅳ.①U213.7

中国版本图书馆数据核字第号

CIP(2022)023667

书名:高速铁路散体道床宏细观力学行为

作者:赵春发翟婉明张徐

策划:曾露平

责任编辑:冯海燕编辑部电话:

(010)51873017

封面设计:高博越封面摄影:王明柱丛书标识设计:崔丽芳

责任校对:焦桂荣

责任印制:高春晓

出版发行:中国铁道出版社有限公司北京市西城区右安门西街号

(100054,8)

网址:

htt://

印刷:北京p联兴盛业印p刷股份有限公司

版次:年月第版年月第次印刷

202241202241

开本:印张:字数:千

787mm×1092mm1/1614274

书号:

ISBN978-7-113-28857-0

定价:元

88.00

版权所有侵权必究

凡购买铁道版图书如有印制质量问题请与本社读者服务部联系调换电话

,,。:(010)51873174

打击盗版举报电话

:(010)63549461

高速铁路基础研究与技术创新丛书

编辑组

组长:王滨

副组长:杨新阳

策划:(以姓氏笔画为序)

王健王风雨王明容亢嘉豪田甜朱敏洁刘霞

江新锡李小军李润华李嘉懿杨哲时博邱金帅

张婕陈小刚金锋徐艳徐清黄璐曹艳芳

崔忠文傅希刚曾露平熊安春黎琳薛丽娜

编辑:(第一期,以姓氏笔画为序)

王风雨亢嘉豪田甜白小玉冯海燕朱荣荣朱敏洁

刘霞李小军李润华邱金帅张瑜赵昱萌赵雅敏

黄璐鹿金炜曾丽辰薛丽娜魏娟

统筹:李小军刘霞

序

我国高速铁路起步晚、发展快、后劲足,经过几代人的不懈努力,通过原始创新、

集成创新、引进消化吸收再创新,成功地走出了一条符合中国国情路情、具有中国特

色的自主创新之路。我国已系统掌握各种复杂地质和气候条件下高速铁路建造成

套技术;在工务工程、列车运行控制、牵引供电、动车组等高速铁路核心技术方面实

现自主化;形成了复杂路网条件下处理跨线运行的运营管理成套技术,构建了人防、

物防、技防三位一体的主动安全保障机制。我国已成为全球高速铁路运营里程最

长、在建规模最大、运营速度最快、技术体系最全、运营和管理经验最丰富的国家。

我国高速铁路技术已走在世界前列,成为推动世界高速铁路发展的重要力量。

为贯彻落实中共中央、国务院《交通强国建设纲要》,推进国铁集团《新时代交通

强国铁路先行规划纲要》的落地,系统总结、梳理我国高速铁路各领域前沿理论和技

术,向我国乃至世界高速铁路科研工作者和工程技术人员提供一套前沿性的参考

书,中国国家铁路集团有限公司铁道出版社公司特组织编著出版“高速铁路基础研

究与技术创新丛书”。

丛书以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,以国家自然科学基金课

题、国家基金委国铁集团高铁联合基金课题、国家“”课题、国家重点研发计划课

-973

题等科研成果为支撑,从高速铁路前沿研究、补短板技术、核心技术、技术发展趋势

等方向组织选题,涵盖动车组、供电、通信与信号、列控与检测、工程勘察与设计、智

能建造、运营与管理、现代信息技术、安全和维护等领域,规模为册,是全面系统

100

论述我国高速铁路基础研究与技术创新成就的大型系列原创性科技著作。

丛书力求突出制高点、原创性、权威性、全覆盖特色。丛书各册内容以作者团队

长期从事高速铁路科学研究的成果为依托,多数成果居于国内领先水平甚至世界先

进水平,多种成果荣获国家科学技术奖一等奖、二等奖,国家技术发明奖一等奖、二

等奖,茅以升科学技术奖,詹天佑铁道科学技术奖,铁道科技进步奖等奖项,丛书内

容体现了我国当今最新、最前沿以及展现未来发展趋势的高速铁路相关研究成果和

ⅱ高速铁路散体道床宏细观力学行为

应用技术。丛书包括动车组、供电、工程施工与组织等十个系列,基本实现高速铁路

各领域全覆盖。

丛书由编委会总负责。编委会阵容强大,认真负责。编委会各成员都是长期从

事我国高速铁路科研、技术、生产和管理的一流专家学者,是所从事领域的翘楚,其

中包括高速铁路及其相关领域的四位院士。编委会多次开会商讨丛书的体系、内容

特色、作者条件及质量保障机制;分工负责,精心审订和修改各册编写提纲;多次遴

选选题,先从多个选题意向中遴选出个选题,后又剔除了内容特色不太鲜

150100

明的个选题,还对多个选题提出了较大的改进意见,补充了个关键技术和弥

8108

补技术空白的选题;最后邀请专人对各册内容进行审定,从而保证了各册内容的正

确性和先进性。

年年底,国家新闻出版署经过严格评审,“高速铁路基础研究与技术创新

2021

丛书”(册)成功入选“‘十四五’时期国家重点出版物出版专项规划———重大出

100

版工程”。这是对本丛书项目的认可,也是对编委会、作者和编辑等人员前期工作的

认可,更是一种鞭策。我们相信,本丛书的出版,将助力于《交通强国建设纲要》的贯

彻落实,推动我国乃至世界高速铁路事业的发展,也将为铁路领域的科研工作者、工

程技术人员、管理人员,以及高校相关专业师生提供一套高水平、原创性、权威性、全

覆盖的大型高铁科技精品著作。

中国工程院院士

“高速铁路基础研究与技术创新丛书”编委会主任

年月

20222

前言

本书为“高速铁路基础研究与技术创新丛书”之分册,按丛书要求,力图体现高

速铁路散体道床力学行为理论研究和试验研究的制高点、前沿性、原创性特色。

有砟轨道以碎石道床为基础,具有弹性好、价格低廉、易排水、维修方便等优点,

是普速铁路的主要轨道结构形式,在高速铁路中也有广泛的应用。但是,在列车荷

载反复作用下,碎石道床的状态和性能很难长久保持,需要经常性进行养护维修,以

确保铁路行车安全。特别是,近年来客车运行速度和货车轴重不断提升,散体道床

的劣化速率明显加快,线路维护费用攀升,需要研究掌握更高速度、更大轴重运营条

件下散体道床劣化机理和性能演变规律,为开发有砟轨道强化技术和养护维修技术

提供理论支撑。

针对铁路高速化和重载化带来的道床劣化和累积变形问题,世纪年代以

2090

来国际上掀起了散体道床力学行为的研究热潮,很多新理论、新方法和新技术被引

入道床质量状态和性能劣化研究之中。本书作者翟婉明院士于年在国际上首

1991

次提出车辆轨道耦合动力学模型,创建了基于锥体受载假设的道床动力学模型,较

-

好解决了散体道床振动响应的数值模拟问题。世纪以来,以无砟轨道结构为主

21

的中国高速铁路发展迅猛,而高速铁路有砟轨道的研究基础十分薄弱,不能满足我

国高速铁路发展需求。因此,年著者所在团队在国家基金委国铁集团高铁联

2012-

合基金项目和国家“”计划项目的资助下,运用颗粒材料力学理论、离散单元法和

973

车辆轨道耦合动力学理论,开展了高速铁路散体道床宏细观力学行为的数值模拟

-

分析,同时还进行了道砟颗粒试验、道砟集料试验、全尺寸有砟轨道模型试验和现场

动力学试验研究,为深入认识高速铁路散体道床力学行为、劣化机理和累积变形规

律提供了新见解,为发展散体道床设计、施工与维护技术提供了新的理论依据。

本书内容基于国家基金委国铁集团高铁联合基金项目()、国家“”

-U1234209973

计划课题()、国家自然科学基金面上项目()、高等学校学科

2013CB03620551578469

创新引智基地项目()、国家自然科学基金重大项目课题()、中国铁

B1604111790283

ⅱ高速铁路散体道床宏细观力学行为

建高新装备股份有限公司技术开发课题()、大秦铁路股份

CRCCE-TEC-2019-0052

有限公司重载技术升级专项计划课题()和牵引动力国家重点实验室自主

A2019G05

研究课题()的研究成果。本书共分为章,第章绪论论述有砟道床

2015TPL-T1271

的功能与质量状态参数和离散单元法基本原理,介绍近年来散体道床的理论和试验

研究进展;第章分别论述道床离散元建模及其参数标定方法、高速铁路散体道

2~6

床宏细观动态响应、高速铁路道床累积变形和道砟劣化形式、有砟轨道过渡段的宏

细观力学行为和道床动力稳定过程中的力学行为与性能演变;最后,第章展望了

7

有砟道床力学行为分析与调控技术发展趋势。全书由赵春发和翟婉明规划,赵春发

著述第、、、章,翟婉明和张徐著述第、、章。最后由赵春发和翟婉明对全书

1256347

进行统稿、定稿,井国庆主审。

研究工作得到了大连理工大学季顺迎教授、大连交通大学严颖教授和西南交通

大学王海波副教授的支持,中国铁建高新装备股份有限公司和朔黄铁路发展有限责

任公司为本书试验研究提供了支持,在此一并表示感谢!感谢美国

Universityof

土工与环境工程系教授、澳大利亚

IllinoisatUrbana-ChampaignErolTutumluer

交通研究中心教授、美国

UniversityofTechnologySydneyBuddhimaIndraratna

土工与环境工程系钱于博士、北京交通大学井国庆教

UniversityofSouthCarolina

授、荷兰郭云龙博士在有砟道床力学行为研究方面

DelftUniversityofTechnology

的交流与讨论!最后,感谢著者研究团队研究生石灿、方骏、冯洋和张磊在本书数值

分析与试验研究中的辛勤付出!

限于作者水平有限,书中难免有疏漏和不足之处,敬请读者批评指正。

著者

年月

20222

目录

第1章绪论………………

1

道床功能与质量状态参数…………

1.13

国内外道床理论与试验研究现状…………………

1.26

道床宏观力学行为研究……………………

1.2.16

道床细观力学行为研究……………………

1.2.213

道床强化技术研究…………

1.2.319

离散单元法基本原理与方法………

1.322

基本思想与计算原理………

1.3.123

颗粒接触与黏结模型………

1.3.224

不规则颗粒的模拟方法……………………

1.3.328

第2章道床离散元建模及参数标定………

41

道砟几何形态获取与重构…………

2.141

二维几何形态………………

2.1.141

三维几何形态………………

2.1.242

道砟颗粒离散元模拟………………

2.244

道床离散元建模……………………

2.348

扣件及钢轨的离散元模拟…………

2.449

道床离散元模型参数标定…………

2.551

道砟黏结颗粒模型参数标定………………

2.5.152

道砟颗粒接触参数标定……………………

2.5.257

第3章高速列车荷载作用下道床的宏细观动态响应……

67

列车动荷载模拟方法………………

3.167

道床力学行为的二维离散元模拟…………………

3.270

道砟接触力与颗粒应力……………………

3.2.171

道砟颗粒运动的空间分布…………………

3.2.272

道砟颗粒振动响应特征……………………

3.2.373

道床力学行为的三维离散元模拟…………………

3.377

道砟接触力和道床应力的空间分布………

3.3.180

道砟振动响应的空间分布…………………

3.3.283

ⅱ高速铁路散体道床宏细观力学行为

不同位置道砟颗粒振动比较………………

3.3.385

行车速度对道床动态响应的影响…………………

3.488

不同行车速度的列车动荷载………………

3.4.189

对道砟接触力和道床应力分布的影响……

3.4.291

对道砟颗粒振动响应的影响………………

3.4.392

第4章高速铁路道床累积变形与道砟劣化形式…………

99

全尺寸有砟道床模型试验装置……………………

4.199

试验台与加载系统…………

4.1.199

测点布置与测试方法……………………

4.1.2101

试验加载与数据采集……………………

4.1.3102

道床累积变形试验结果分析……………………

4.2104

道砟劣化试验结果分析…………

4.3106

试验方案与方法…………

4.3.1106

道砟劣化形式及统计分析………………

4.3.2108

道床累积变形的离散元模拟分析………………

4.4111

小尺寸道床离散元模型…………………

4.4.1112

小尺寸道床离散元模型等效输入荷载…………………

4.4.2113

小尺寸道床离散元模型的试验验证……

4.4.3114

简谐荷载下道床累积变形模拟分析……

4.4.4117

简谐荷载下道床累积变形的细观机理…………………

4.4.5120

列车荷载下道床累积变形模拟分析……

4.4.6122

道砟颗粒摩擦因数对道床变形行为的影响……………

4.4.7123

列车荷载与简谐荷载下道床累积变形比较……

4.5126

列车荷载等效模拟形式…………………

4.5.1127

道床累积变形比较分析…………………

4.5.2128

第5章有砟轨道路桥过渡段的宏细观力学行为…………

135

过渡段主要结构形式……………

5.1135

过渡段离散体连续介质耦合模型………………

5.2-137

过渡段基础结构有限差分模型…………

5.2.1138

离散连续耦合计算方法…………………

5.2.2-140

轨道过渡段列车动荷载…………………

5.2.3142

过渡段离散连续耦合模型的试验验证…………………

5.2.4-145

不同形式轨道过渡段的宏细观力学响应………

5.3147

轨道过渡段力学行为的参数影响分析…………

5.4150

目录ⅲ

有无楔形填充层时过渡段动态响应对比………………

5.4.1150

填充层弹性模量对过渡段动态响应的影响……………

5.4.2154

填充层斜率对过渡段动态响应的影响…………………

5.4.3156

第6章道床动力稳定过程中的力学行为与性能演变……

161

轨道动力稳定车及工作装置……………………

6.1162

全尺寸道床三维离散元模型……………………

6.2166

全尺寸有砟道床建模……………………

6.2.1167

全尺寸离散元模型试验验证……………

6.2.2169

三种密实状态道床的细观组构特性……………

6.3171

三种密实状态道床的力学性能…………………

6.4172

道床支承刚度……………

6.4.1172

道床横向阻力……………

6.4.2176

道床横向阻力的分担……………………

6.4.3179

道床支承刚度与轨道支承刚度的关系…………………

6.4.4183

道床横向阻力与轨道横向阻力的关系…………………

6.4.5184

稳定作业时道床的动态响应分析………………

6.5185

道砟振动响应特性………

6.5.1186

道砟运动的空间分布特性………………

6.5.2190

道床动力稳定作业效果分析……………

6.5.3193

第7章散体道床力学行为分析与调控技术展望…………

199

道床离散元模拟技术发展趋势…………………

7.1199

道床细宏观力学性能调控技术展望……………

7.2201

道床宏细观结构设计与工程应用展望…………

7.3203

第1章绪论

铁路轨道是由钢轨扣件轨枕道床和其他附属设备组成的构筑物是列车行驶的基

、、、,

础轨道直接承受列车车轮的荷载引导机车车辆运行将列车荷载传递给铁路路基桥梁

。,,、、

隧道等下部基础结构现代铁路轨道结构主要分为图所示的有砟轨道与无砟轨道两种

。1-1

类型有砟轨道是传统的轨道结构形式轨枕以下采用了碎石道床具有减振降噪好适应不

,,,、

良地质与气候条件强建设费用低建设周期短破坏后修复快和养护维修方便等突出优点

、、、,

被广泛应用于世界各国普速快速铁路重载铁路和高速铁路相较于有砟轨道无砟轨道

/、。,

采用混凝土沥青混合料等整体基础取代碎石道床具有平顺性好稳定性高使用寿命长和

、,、、

维修工作少等优点在近年来新建高速铁路中得到了广泛的应用目前世界上所有的普速

,。,

线路和重载线路几乎全线铺设有砟轨道日本新干线东海道线主要采用有砟轨道法国

,,、

西班牙和意大利的高速铁路线路以有砟轨道为主德国高速铁路约四分之三的线路采用了

,

有砟轨道我国时速或既有线提速铁路全线以有砟轨道为主新建时速

。200km250km,

及以上高速铁路在大跨度桥梁等特殊区段也采用了有砟轨道

250km。

图现代铁路两种主要轨道结构形式

1-1

轨道结构应具备足够的强度稳定性和耐久性并具有正确的几何形位以保证列车安

、,,

全平稳不间断地运行轨道结构在列车重复荷载作用以及气候环境条件的影响下不可

、、。,

避免地产生磨损腐蚀疲劳伤损和残余变形等病害并使轨距水平方向高低等轨道几何

、、,、、、

形位发生改变这些病害或变形必须及时消除否则将加剧轮轨之间的冲击振动损害轨道

。,,

2高速铁路散体道床宏细观力学行为

结构的使用寿命严重时还可能导致列车脱轨颠覆事故因此铁路轨道是一种边维修边

,、。,

工作的基础设施对于有砟轨道由于道砟材料是不连续非均匀介质导致散体道床具有

。,、,

固液两相特性其宏细观力学行为相当复杂特别是在列车荷载反复作用下道砟颗粒会

、,。,,

错动重排发生棱角断裂颗粒磨损和粉化使得道床不可避免地发生质量状态劣化当外

,、,。

部煤渣砂粒粉尘路基表层土粒入侵和雨水侵蚀以后还会出现翻浆冒泥道床板结等恶

、、、,、

劣现象图导致道床力学性能迅速恶化需要通过经常性养护维修来保持道床服役状

(1-2),,

态和性能散体道床状态劣化还会引起轨道不均匀沉降影响轨道的平顺状态增强轮轨之

。,,

间的动力作用并形成恶性循环最终导致道床甚至整个轨道结构的下沉破坏进而影响列车

,,

的运行安全性和乘坐舒适性据不完全统计有砟轨道沉降的以上是由道床下沉引起

。,90%

的约的有砟轨道养护维修工作是围绕整治道床或由道床病害引起的其他轨道病害开

,80%

展的因此自铁路诞生以来世界各国在道砟材质及理化特性道砟级配道床结构形式

。,,、、、

道床施工维护技术等方面进行了大量的理论研究与工程实践形成了一些规范性的道床设

,

计建造和维护指南促进了铁路有砟轨道技术进步

、,。

图散体道床的典型劣化现象

1-2

然而近年来世界各国铁路客车的运营速度和货车的轴重不断提升有砟轨道状态劣化

,,

速率明显加快维修工作愈加频繁维护费用显著攀升因此研究更高速度更大轴重运营

,,,,、

条件下散体道床的状态劣化和性能演变规律开发有砟轨道强化新措施和养护维修新技术

,,

成为国内外铁路技术研究的热点之一例如为了提高有砟轨道的承载能力和稳定性许多

。,,

国家在新建线路上加大了道床厚度以混凝土轨枕替代木轨枕在道床和路基之间还增设了

,,

底砟层在既有线路维修过程中逐步以规范的碎石道砟替代老旧道砟以混凝土轨枕逐步替

;,

代木轨枕在软弱土质路基段使用土工格栅或织物强化路基表层等近几年在道床中掺

;,。,

混废旧橡胶颗粒采用聚氨酯固化道床等技术也逐渐得到重视和发展在上述新一轮有砟

、。

道床技术研发中铁路科技工作者尝试使用一些新理论和新方法以更全面揭示有砟道床的

,

力学行为及其性能演变规律如采用离散单元法刻画道床的细宏观力学行为使用车辆轨

,,-

第1章绪论3

道耦合动力学