基于细观解析模型的铁路有砟道床力学特性研究

有砟道床是由碎石道砟组成的一种散粒体结构,道砟颗粒之间的相互作用影响道床结构整体的力学特性。为研究道砟层内部的荷载传递和沉降规律,探明列车行驶过程中道床服役状态演变的机制,基于有限元ABAQUS平台软件,通过编制内部子程序对Chang-Hicher模型进行二次开发,开展道砟集料的常规三轴试验以及碎石道床动力特性试验的数值模拟,从静、动力学角度阐明利用细观解析本构模型模拟道砟力学特性的可行性。进一步利用该模型研究高速列车荷载下道床的动态力学行为,从宏观层面探讨道床不同区域的沉降特征,从细观层面运用玫瑰图来分析道砟间接触力的分布情况和变化规律,分析行车速度和轴重等控制因素对接触力和位移的影响。研究结果表明,列车行驶过程中,荷载作用下方道砟的接触力整体水平最高、枕盒中心处次之,轨枕中心处最小,而这些区域内道砟的竖向位移变化基本相同;行车速度和轴重对道砟间接触力和道床下沉量均呈现正相关关系。

冲击式人工捣固装置对有砟道床作用效应及质量状态影响研究

人工捣固作业是实现小区段线路日常养护维修的重要方式之一,可有效改善轨道几何形位、缓和线路不平顺、保证列车运行安全性。然而目前人工捣固装置进行养护维修作业主要依赖现场工人的工程实践经验,缺乏相关理论研究。为研究有砟道床人工捣固装置作业工作机理,借助离散元素法(DEM)-多体动力学(MBD)耦合方法,建立人工捣固装置-轨枕-有砟道床耦合仿真模型,并在现场开展人工捣固作业前后横向阻力试验,验证了模型的可靠性,分析人工捣固作业对道砟颗粒接触力及道床密实度的影响。结果表明:人工捣固作业会使道床横向阻力降低19.51%,道床横向稳定性减弱;捣入阶段会使道砟间接触力分布发生明显变化,其中,水平平面接触力分布由近似圆形向椭圆形变化分布,纵向平面接触力则由半圆形向花束形变化分布,颗粒间接触关系不断变化,逐步建立新的稳定传递关系;捣固作业会使道砟颗粒受迫运动,使枕盒及砟肩处密实度降低。因此,在人工进行捣固作业后应及时补填枕盒处道砟颗粒,并对砟肩处道砟进行拍实。

有砟道床人工捣固作业模型建立及力学性能分析

为研究人工捣固作业对道床质量状态的作用机理,基于离散元与多体动力学耦合的建模方法,建立人工捣固装置-散体道床仿真模型,有效模拟工人的捣固作业过程,并通过现场试验结果验证模型的正确性,分析人工捣固作业对道床刚度及接触状态的影响。研究结果表明:人工捣固作业会使道床刚度降低,作业后支承刚度为101.85 kN/mm,降低了28.48%,回弹刚度为206.77 kN/mm,降低了9.02%;在捣入及振捣阶段,道砟间接触状态发生改变,同时轨枕下方与道砟颗粒的接触数目增多,有利于枕下空隙的填充;在撤镐阶段,道砟配位数逐渐增大,法向接触力分布趋向均匀,有利于道床的稳定;人工捣固作业有效减小了轨枕周边区域道砟间接触状态的差异。

基于离散元-有限差分耦合的轨枕垫对有砟道床横向阻力的影响机制

轨枕垫(USP)因其良好的减震性能已广泛应用于铁路轨道结构,现有研究大多集中于USP对轨道结构刚度和振动响应的影响,但对有砟道床横向阻力影响的研究很少。为深入分析USP对道床横向阻力的影响并揭示其作用机理,建立轨枕-USP-有砟道床-路基三维系统的精细化离散元-有限差分(DEM-FDM)耦合数值模型,采用典型重载铁路有砟道床横向阻力现场实测结果对模型进行标定和验证,进而模拟分析不同工况组合下USP对轨枕不同位置处(枕底、枕侧和枕端)的横向阻力、道砟颗粒运动和粒间接触力等宏微观指标的影响机制。研究结果表明:在相同的轨枕横向位移下,相较于无USP的轨枕,带USP的轨枕其枕底道砟颗粒运动范围更大,横向阻力也更大,且横向阻力增加部分主要来源于枕底USP的不平整性;USP刚度越大,道床横向阻力也越大;采用USP可增加枕底的横向剪应力和最大法向接触力,且两者数值均随USP刚度的增大而增大。

重载铁路有砟道床捣固作业参数的合理取值

根据朔黄铁路(朔州—黄骅)大型养路机械捣固作业实际情况,建立捣镐群和有砟道床的耦合模型,模拟大型养路机械捣固作业,分析捣固参数(捣镐振动频率、插镐速度、插镐深度)对道床密实度、道砟配位数、道床垂向刚度的影响,进而确定捣固参数的合理取值。结果表明:与捣固前相比,捣固后道床状态参数有所增加,道床密实度增幅在11.34%~13.21%,道砟配位数增幅在0.72%~4.34%,道床垂向刚度增幅在6.56%~64.27%,说明在一定范围内改变捣固参数对道床密实度和道床垂向刚度的影响比较明显,而对道砟配位数的影响不大;捣镐振动频率、插镐速度、插镐深度均主要影响道床垂向刚度;朔黄铁路捣固作业参数的合理取值为捣镐振动频率35 Hz,插镐速度1.0 m/s,插镐深度25 mm。

地铁车辆段有砟道床曲线整正技术研究

基于工程实例,提出一种基于最小方差原理的拨道量优化算法,以更有效地控制曲线正矢。研究道砟捣固作业对线路稳定状态的影响,总结提出道砟捣固质量控制措施。从传统简易拨道算法和拨道量优化算法在现场实际施工中的应用来看,传统拨道算法对轨向不平顺的控制不稳定,受人为计算因素影响大,计算次数多;而拨道量优化算法基本只需要一次计算就能达到较为理想的效果。采取合理的捣固质量控制措施有助于保持轨道短期稳定,延长平面曲线劣化周期,轨道状态的长期劣化趋势也优于普通拨道捣固作业。

铁路专用线无砟道床与有砟道床过渡段加固处理施工技术探讨

从唐山地区铁路专用线翻车机系统的无砟道床与路堤段有砟道床过渡段施工实践出发,主要探讨一种利用旋挖钻干作业成孔灌注混凝土成桩的复合地基作为过渡段整体加固处理的施工技术。传统施工方法中,先对过渡段地基进行处理,后进行过渡段路基填筑和轨道铺设施工。过渡段路基在雨水和列车荷载长时间的反复作用下会出现不同程度的不均匀沉降,严重影响列车的安全运营。本技术则是先进行过渡段路基的分层填筑,后采用桩基对过渡段区域的地基、基床及基床以下路堤进行整体加固处理,本技术弥补了传统处理方法中基床及基床以下路堤因邻近构筑物时大型碾压设备碾压不到位的弊端,从根本上解决过渡段不均匀沉降的问题。

捣稳作业模式对重载有砟道床状态的影响

道床清筛后进行捣固和稳定作业,是确保施工线路恢复正常行车的重要措施。重载铁路清筛施工中常用“三捣两稳”和“四捣三稳”作业模式。为从理论上了解2种作业模式的作用效应,建立清筛后有砟道床离散元模型,模拟大型养路机械捣固和稳定作业,分析2种作业模式对有砟道床密实度、垂向刚度、横向阻力等力学特性的影响。结果表明:通过捣固和稳定作业,有砟道床状态得到全面提升。在“三捣两稳”和“四捣三稳”作业模式下,道床密实度由50.25%分别提升至58.61%、59.65%;道床垂向刚度由15.70 kN/mm分别提升至50.09 kN/mm、60.15 kN/mm;道床横向阻力由2.546 kN分别提升至3.672 kN、3.465 kN。

地铁车辆段有砟道床曲线整正技术研究

本文对地铁车辆段有砟道床曲线整正技术进行了深入研究,分析了现有技术存在的问题,并提出了优化算法和改进措施。 通过对不同曲线拨道方法的比较和捣固质量控制措施的探讨,验证了其在提高曲线整正效果方面的有效性。最后,通过施工效果 检查和效果评价指标的应用,评估了所提出技术的实际效果。

弹性轨枕对有砟道床宏细观力学特性的影响

为了系统研究列车荷载作用下弹性轨枕对有砟道床力学特性的影响,首先,采用离散单元法建立了考虑道砟颗粒棱角特征的精细化道床模型;其次,结合现场动态测试结果,验证所建模型的正确性;最后,分析了弹性轨枕对道砟颗粒接触力、道砟颗粒摩擦耗能、道砟颗粒运动以及道床变形等行为的影响。研究结果表明:弹性轨枕可以通过弹性垫层的变形从而起到缓冲作用,使列车动荷载分配更均匀,将荷载的分担比降低了5.67%,减小车轮正下方道砟颗粒的受力,减缓道砟颗粒因受力过大而破碎粉化的趋势;弹性轨枕可以降低道床的整体振动,从而降低列车荷载作用下道砟颗粒之间的滑动程度,减缓道砟颗粒摩擦耗能的增长速率,减少道砟颗粒磨耗粉化;弹性轨枕增大了列车动荷载作用下轨道的弹性变形,却降低了道砟颗粒的转动角速度以及道砟颗粒的塑性位移,有助于保持道床的稳定性,减缓道床沉降和变形的速度,延长轨道的使用寿命并降低维护成本。

CDC-16道岔捣固车对有砟道床作业的宏细观力学行为的影响

道岔是实现列车转线的关键设备,是铁路轨道的三大薄弱环节之一,定期进行捣固养护作业是保障列车安全运营的重要手段。但目前针对道岔捣固作业主要依赖实践经验,缺乏理论依据。为研究捣固作业对道岔区有砟道床力学特性的影响,首先,基于DEM-MBD耦合算法,建立CDC-16捣固车捣固装置-钢轨-轨枕-有砟道床仿真模型,实现道岔区捣固作业的有效模拟;其次,开展现场横向阻力试验,验证模型的正确性;最后,分析捣固作业前后道床阻力特性、轨枕竖向位移及道床支承刚度的变化规律,探讨捣固作业次数对有砟道床质量状态的影响。研究结果表明:捣固作业后道床横向阻力降低32.40%,纵向阻力降低28.13%,支承刚度降低86.23%;捣固作业不会改变枕侧、枕底和枕端3部分对纵横向阻力的贡献排序,但对枕侧区域的分担比影响最大;随着捣固次数增加,在一定范围内道床纵横向阻力和支承刚度提升较明显。综合考虑有砟道床质量状态、力学特性以及大机作业效率,建议对道岔区尖轨位置捣固作业以2~3次为宜。

大坡道桥上有砟道床纵向传力特性

在大坡道桥梁地段,受列车往复制动作用,轨排不断产生往复爬行,严重影响线路稳定与维护作业。为研究轨排与散体道床间的阻力特性及作用机制,基于通用离散元软件,建立桥上有砟道床-轨排相互作用节段模型,分析了轨排在往复制动作用下的纵向阻力、分阻力及阻力功的变化规律,并从道床密实度、轨排位移、枕底压力、颗粒运动等方面对道床的力学行为进行了解析。结果表明:不同制动荷载作用下道床阻力均呈强化趋势,制动位移越小,道床阻力达到稳定所需的制动周次越多;与空载条件相比,有载条件下列车往复制动时道床更快达到纵向稳定状态;基于分阻力解析,道床纵向强化主要由枕间道砟体致密化引起;往复制动会造成轨枕抬升,枕底压力减小,枕下支承刚度降低,几何不平顺增加及枕间道砟体动能剧增,出现道砟体流变现象。

道岔区域环氧沥青固化的有砟道床侵入病害特征数值模拟

为保障列车运行安全,研究道岔区域用环氧沥青材料固化的有砟道床煤灰侵入病害特征数值模拟方法。在道岔区域有砟道床的道岔直股、道岔侧股与存车线上分别采集3个道岔区域有砟道床样本,对道床颗粒实施大型三轴试验和大型直剪试验的离散元数值模拟,分析煤灰侵入病害道床的颗粒接触力、应力、应变与位移性能。结果表明,在煤灰侵入病害等级逐渐提升的条件下,环氧沥青材料固化类道床颗粒的荷载抵抗力下降,道床颗粒间的接触力有所下降,间接说明道床的剪切强度呈现降低趋势,道床的剪切强度与无煤灰侵入病害时相比下降幅度达到33%左右。

循环荷载频率对高速铁路有砟道床累积变形行为的影响

为研究高速铁路有砟道床因反复承受高频率的列车荷载作用而劣化及累积变形的规律,利用离散元分析软件PFC并考虑道砟颗粒的真实几何形态,建立高速铁路有砟道床三维离散元模型,模拟分析不同频率、不同幅值循环简谐荷载作用下道床的累积变形,并通过统计分析道砟颗粒的重排行为,从细观层面探讨荷载频率对道床累积变形行为的影响机理。开展高速铁路有砟道床的室内实尺模型累积变形试验,验证道床离散元模型的合理性和模拟结果的可靠性。结果表明:在相近的荷载工况下,模拟分析获得的道床累积变形结果与实尺模型试验结果较为吻合;循环简谐荷载的频率低于15 Hz时,道床的累积变形主要由道砟颗粒间的相对接触滑动引起,但累积变形及其增长速率均不大;当荷载频率提高至20 Hz以上时,道床的累积变形及其增长速率随荷载频率的提高而快速增大,且其主要原因是道砟颗粒发生了剧烈转动。

有砟道床梯形轨枕横向阻力试验与构成分析

梯形轨枕具有稳定性好、振动小的优点,并能减弱传递给轨道的动荷载,使得梯形轨枕在高速铁路、重载铁路、城市轨道交通中均有较好表现,但是其横向阻力一直未进行系统试验研究.本文研究了不同砟肩宽度(200、300、400、500 mm)梯型轨枕道床横向阻力,分析了阻力构成,并与Ⅲc型轨枕对比.结果表明,在砟肩宽度均为500 mm道床上,平肩式梯形轨枕与平肩式及砟肩堆高150 mm、Ⅲc型轨枕相比,阻力分别提升了约55%、14%,并且,平肩式道床砟肩宽度由200 mm增加至500 mm过程中,梯形轨枕道床横向阻力无明显增长,其横向阻力主要由3部分构成,其中轨枕底面与道床摩擦提供约34%,枕心部位提供约47%,轨枕端部提供约19%.试验表明,采用梯形轨枕,可选用较小截面尺寸的道床,从而大幅节约建设用地及道砟用量.

离散元-有限差分耦合法在铁路有砟道床研究中的应用

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.通过激光扫描法建立了基于真实道砟颗粒外形的离散单元数值模型,以此对由碎石道砟所组成的散体道床进行精细化模拟;采用有限差分法对连续介质的轨枕及轨下路基基础进行仿真.通过在层间结构边界处设置虚拟耦合过渡层,并将力和位移作为媒介物理量于一个时间步内在两种程序之间进行交互迭代的方式实现了两种数值分析方法的动态耦合.在此基础上建立了轨枕-散体道床-路基的离散元-有限差分耦合数值模型.并通过现场实测结果验证了模型的正确性.

中俄高速铁路有砟道床技术条件分析——时速350 km高铁设计参考与借鉴

为厘清中俄高速铁路有砟道床技术条件差异及其内在原因,通过对两国不同轨距高速铁路有砟道床设计规范及技术条款进行分析,针对莫喀高铁和京张高铁(350 km/h)运营要求,考虑到轨距、温度变化不同因素影响,所得主要结论如下:(1)道床砟肩宜采用无堆高形式,道床边坡宜采用1∶1.75,加强道床夯实。道床厚度宜采用35 cm,如在桥隧地段、路基基床表层采用沥青层、弹性轨枕可降低为30 cm;(2)结合欧洲高铁经验,道床纵向阻力不应小于14 kN/枕,横向阻力不应小于12 kN/枕,可满足时速350 km要求;(3)时速350 km及其以上必须进行飞砟设计和措施研究;(4)时速350 km须进行轨枕设计,可通过形状和尺寸方式。由于轨距不同,建议莫喀高铁轨枕长度采用2.7 m、京张高铁采用2.6 m。

基于CFD-DEM的有砟道床多孔介质模型研究

道砟飞溅受有砟轨道流场特征影响显著,传统的CFD分析方法难以准确模拟散粒体道砟对轨道流场的影响。将有砟道床考虑为能够反映道床对流体阻力作用的多孔介质结构,基于提出的CFD-DEM耦合分析方法,通过对比分析流场压降-风速拟合关系式与附加动量源方程,获取道床多孔介质模型的黏性阻力系数和惯性阻力系数,通过对比道床多孔介质CFD模型与CFD-DEM耦合模型的仿真计算结果对获取参数进行验证。研究表明,基于CFD-DEM参数获取方法建立的有砟道床多孔介质模型,既能反映道砟的级配和形状等颗粒特征,还能反映道床与流体的相互作用,模拟最大误差仅为4.68%,实现了轨道流场的真实还原。该道床多孔介质模型参数的获取及验证方法,为道砟飞溅机理研究提供了重要的技术手段。

客运专线铁路有砟道床施工技术标准

在简述客运专线铁路有砟道床施工方法的基础上,着重介绍客运专线铁路有砟道床断面设计、碎石道砟标准和施工质量控制标准,为客运专线铁路铺轨技术实践的完善提供参考。

超高速有砟道床运营影响分析与解决措施

随着铁路速度的不断提高,超高速有砟道床的研究逐渐成为热点,但是超高速有砟道床存在飞砟现象多发,道床劣化、脏污严重,桥上有砟道床流化等诸多问题。分析国内外高速有砟道床研究情况,分类、总结有砟道床存在的问题及解决措施,为超高速有砟道床的设计奠定基础。研究得出:采取相应措施,可以避免高速有砟道床存在的问题,可满足超高速有砟道床运营要求;针对飞砟需从道砟材质、道床断面、轨枕结构、养护维修等多方面进行综合考虑;轨枕结构优化、新材料、新方法可增强道床纵横向阻力、减缓道砟劣化,是超高速有砟道床发展的重要突破方向。