基于激光扫描法的铁路道砟级配对道床动力特性影响的离散元研究

铁路碎石道床的道砟级配对道床的力学性能具有显著的影响,采用三维激光扫描技术对道砟颗粒的形状特征进行了获取及分析,并提出了基于道砟外形重建结果的离散元颗粒数值模型构造方法;在此基础上建立了循环荷载道砟箱数值模型。以此研究在高速及重载线路条件下,道砟级配对散体道床动力沉降特性的影响规律,并从细观角度分析了道床的沉降机理。研究结果表明:不同运营条件下铁路碎石道床的沉降机理有所不同。道砟颗粒间的相互错动是引发重载铁路道床沉降主要原因。而对于高速铁路,道床沉降还会受到高频荷载作用下颗粒自身转动的影响。因此,建议在规范中针对不同的线路条件提出不同的道砟级配曲线要求。

大机组合作业模式对道砟级配影响的试验研究

大机组合作业是改善铁路有砟轨道几何不平顺的主要手段,但在施工作业过程中存在大机破坏道砟的现象。为了探寻大机组合作业模式对道砟级配影响的变化规律,设计了3种大机组合作业模式,通过试验研究道砟的破坏规律,主要得到以下结论:随着大机作业遍数的增加,都会使粒径56 mm及以上道砟破坏成为粒径45 mm以下的道砟,使得道砟级配发生改变,随着作业遍数的增加不再满足道砟级配标准;不同组合作业模式比较发现:捣固车对道砟破坏较为明显,6遍作业后使得各粒径道砟级配破坏相差率最大达135.93%,而稳定车作业对道砟级配破坏相对较小,各粒径道砟级配破坏相差率在10%以内。鉴于试验的数据和结论,建议在不回砟的大机组合作业模式施工中,一捣一稳、一捣两稳组合作业控制在3遍以内,两捣一稳作业控制在2遍以内,以免施工影响有砟道床的使用寿命。

大机分层整道作业对道砟级配破坏的试验研究

为了探寻大机分层整道作业对道砟级配破坏的影响规律,本文设计两捣一稳在3种不同起道量下的道砟级配破坏试验研究,主要得出以下结论:(1)大机作业径粒56mm以上的道砟会逐步破坏成为径粒35.5mm以下的道砟,而起随着作业遍数的增加,破坏效果也越明显;(2)随着大机作业起道量的增加,道砟级配质量相对变化率越小,即大机作业起道量的越大,道砟级配变化越稳定;(3)在两捣一稳组合作业模式中,当作业起道量为10mm、20mm时,随着大机作业遍数的增加,都会使得道砟级配超过一级道砟标准;当作业起道量为30mm时,在整个施工作业过程中,未发现各径粒道砟超过一级道砟标准且在大机第4遍后道砟级配变化相对稳定。因此,建议在新建铁路有砟轨道分层整道作业过程中,应合理设置大机作业起道量尽可能减少大机作业遍数,以免因大机作业加快道床的脏污。

基于堆积试验的道砟级配对休止角的影响

采用漏斗法对不同级配的铁路道砟开展室内堆积试验,探究颗粒级配参数对堆积体休止角的影响。参照现行特级道砟规范,设计了4组均匀级配和18组非均匀连续级配,通过图像处理技术提取道砟堆的轮廓线,拟合后测得休止角。结果表明,随着中值粒径D_(50)的提高,D_(50)=37.6mm时休止角存在最大值;随着不均匀系数C_(u)的增加,休止角在C_(u)=2.1时存在最大值,可认为C_(u)=2.1、D_(50)=37.6mm是优良的道砟级配参数;级配曲线的曲率C_(c)在0.88左右时,道砟堆积体休止角存在峰值。研究结果对现行特级道砟的级配优化具有一定参考价值。

基于离散元的重载铁路有砟轨道阻力特性研究

研究目的:有砟轨道在重载铁路中广泛采用,随着服役时间的增加,在列车荷载反复作用下,道床性能会随之变化,线路阻力呈现动态发展的时变特性。作为求解梁轨相互作用的关键,准确合理地选取线路纵向阻力是保证梁轨相互作用计算准确的前提,关系梁轨系统的正常使用与安全运营。研究结论:(1)颗粒级配由粗到细,纵向线阻力逐渐减小;摩擦系数由小到大,纵向线阻力稍微增加;(2)结合不同级配建立的道床模型模拟出的纵向线阻力-位移曲线,获得纵向线阻力动态演化模型,可知线路纵向阻力由新建线路的阻力29.7 kN/(m·线)演化到破碎充分时的23.6 kN/(m·线),退化幅度约为20.5%;(3)本研究成果可为开展全服役期内重载铁路的梁轨相互作用等相关研究提供关键参数。

基于最小投影的离散元道砟模型的粒径识别

道砟颗粒形状和粒径级配对道砟道床沉降和变形有重要影响,因此采用离散元法研究道砟道床沉降问题时,需要建立反映道砟颗粒形状的模型,并合理评估颗粒模型的大小。本文利用计算几何凸包理论,建立了随机凸多面体,以模拟道砟颗粒的形状;提出了基于最小投影矩形包围面的粒径评估方法,对道砟颗粒模型的粒径大小进行了分析,并基于道砟颗粒模型的包围长方体,分析了道砟颗粒模型的针状和片状情况。分析结果表明:随机多面体道砟颗粒模型能够较好地模拟道砟颗粒形状;采用最小投影矩形包围面的评价方法能够真实地反映多面体道砟颗粒模型的粒径,该评价方法比等效粒径评价方法更精确;利用道砟颗粒模型包围长方体的数值判别方法,能有效识别随机道砟颗粒模型的针片状情况,控制针状颗粒和片状颗粒的数量。

捣固作业对道砟破碎伤损影响规律的试验研究

通过原位捣固试验研究了捣固次数对道砟破碎的影响规律,并对道砟颗粒的典型破碎形式进行了分析。结果表明:捣固作业会引起道砟颗粒发生明显的破碎伤损,进而导致道砟整体级配发生显著变化,应在有砟道床的养护维修中予以重点关注。捣固作业最容易引起56~63 mm粒径的道砟颗粒发生破碎。对于运营期道床,捣固作业导致的道砟颗粒破碎会使25 mm粒径以下的道砟颗粒质量显著增加,是造成道床质量脏污率增大的主要原因。

基于离散元法的有砟道床阻力特性研究

研究目的:为探究道床纵横向阻力变化特征,本文通过进行现场原位试验并采用离散单元法建立道床-轨枕三维离散元模型,研究道砟级配、轨枕埋深、边坡坡度、道床肩宽对道床纵横向阻力的影响。研究结论:(1)道床纵横向阻力随着道砟级配变宽而增大,当道砟颗粒级配为包络线上下限中间插值及包络线上限时,道床纵横向阻力满足规范要求;(2)道床纵横向阻力随着轨枕埋深增大而增大,当轨枕埋深大于150 mm时,道床纵横向阻力满足规范要求;(3)随着道床边坡坡度变缓,道床横向阻力增大,纵向阻力基本不变,坡度为1∶1.75或更缓时,道床纵横向阻力满足规范要求;(4)随着道床肩宽增大,道床横向阻力增大,纵向阻力基本不变,当肩宽大于400 mm时,道床纵横向阻力满足规范要求;(5)本研究成果对于指导有砟道床设计、施工以及提高有砟道床力学性能具有参考价值。