高速鐵路散體道床力學(xué)行為、劣化機(jī)理及變形規(guī)律研究結(jié)題摘要

本項(xiàng)目圍繞高速鐵路散體道床力學(xué)行為、狀態(tài)劣化機(jī)理及累積變形規(guī)律等關(guān)鍵科學(xué)問題，開展了道砟顆粒三維幾何形態(tài)重構(gòu)及其離散元模擬方法研究，道砟顆粒靜態(tài)壓碎力學(xué)行為及細(xì)觀機(jī)理研究，道砟材料剪切力學(xué)行為的室內(nèi)試驗(yàn)與離散元模擬，高速鐵路道砟振動(dòng)特性的室內(nèi)試驗(yàn)與離散元模擬，400萬次循環(huán)作用下散體道床累積變形與道砟劣化的1:1實(shí)尺模型試驗(yàn)研究，荷載工況和道砟參數(shù)對(duì)道床累積變形的影響機(jī)制與規(guī)律研究，高速鐵路有砟軌道幾何狀態(tài)預(yù)測(cè)分析與控制方法研究。本項(xiàng)目研究建立了高速鐵路道砟幾何樣本庫和道砟離散元模型樣本庫，發(fā)展了鐵路道砟力學(xué)性能試驗(yàn)技術(shù)，提出了綜合運(yùn)用離散元、有限元、車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)的散體道床力學(xué)行為模擬新方法與新技術(shù)。通過實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析，獲得了道床累積變形規(guī)律及道砟顆粒磨損與破損劣化統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，給出了道砟破碎力學(xué)行為的統(tǒng)計(jì)特性和細(xì)觀力學(xué)機(jī)制，獲得了含沙道砟、土工格柵強(qiáng)化道砟直剪力學(xué)性能與參數(shù)影響機(jī)制，揭示了行車速度、荷載條件、道砟級(jí)配以及格柵加固等對(duì)鐵路道砟振動(dòng)和累積變形的影響規(guī)律。項(xiàng)目研究還提出了有砟軌道道床不均勻沉降與鋼軌變形映射關(guān)系的求解方法，給出了道床沉降導(dǎo)致的軌枕空吊以及車輛通過時(shí)軌枕與道床間動(dòng)態(tài)的接觸/空吊的狀態(tài)閾值，提出了基于列車運(yùn)行動(dòng)力學(xué)品質(zhì)的不平順敏感波長及波深控制建議限值。項(xiàng)目研究成果為高速鐵路有砟軌道工程設(shè)計(jì)與養(yǎng)護(hù)維修提供了理論支撐和應(yīng)用參考，其中，關(guān)于有砟軌道不平順的研究成果在中國鐵路總公司技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《高速鐵路有砟軌道不平順譜》的制訂中得到體現(xiàn)。 2100433B

針對(duì)現(xiàn)代高速鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)特征，圍繞高速鐵路散體道床力學(xué)行為、狀態(tài)劣化與累積變形這一核心問題，采用理論分析、數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，把可以反映散體道床細(xì)觀力學(xué)行為的高性能離散元分析模塊引入到車輛－軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型中，建立基于多體動(dòng)力學(xué)－離散元－有限元的車輛－基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)耦合分析理論及技術(shù)，建立高速鐵路散體道床力學(xué)性能與變形分析新理論和新方法，揭示高速列車荷載作用下散體道床的力學(xué)行為和狀態(tài)劣化機(jī)理，探明高速鐵路散體道床狀態(tài)演變和變形規(guī)律、以及道床動(dòng)力特性和變形對(duì)車輛－軌道耦合振動(dòng)的影響，提出高速鐵路散體道床性能與狀態(tài)演變的預(yù)測(cè)方法，給出有砟軌道狀態(tài)控制建議準(zhǔn)則，為不同速度等級(jí)的高速鐵路有砟軌道維修養(yǎng)護(hù)與安全管理提供科學(xué)依據(jù)和理論支撐。預(yù)期成果對(duì)我國高速鐵路有砟軌道技術(shù)發(fā)展具有重要理論意義和良好應(yīng)用前景。

飛砟是高速鐵路列車動(dòng)力和列車風(fēng)空氣動(dòng)力共同作用下產(chǎn)生的破壞性現(xiàn)象，嚴(yán)重制約高速有砟道床應(yīng)用與發(fā)展。本項(xiàng)目擬基于鐵道工程學(xué)科，研究列車動(dòng)力、空氣動(dòng)力多場(chǎng)共同作用下有砟道床力學(xué)宏細(xì)觀特性，闡明飛砟機(jī)理，優(yōu)化高速鐵路有砟道床斷面結(jié)構(gòu)，量化飛砟隨機(jī)過程可靠度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。具體地，擬開展有砟道床動(dòng)力特性和風(fēng)工程研究，包括：（1）協(xié)同研究散體動(dòng)力、空氣動(dòng)力作用下飛砟機(jī)理，開展有砟道床空氣動(dòng)力學(xué)和動(dòng)力特性測(cè)試，包括風(fēng)洞試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；（2）闡明飛砟機(jī)理及影響因素，應(yīng)用隨機(jī)過程理論及可靠度分析方法，為高速鐵路飛砟風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估奠定基礎(chǔ)；（3）綜合拓展飛砟防治方法與措施，優(yōu)化高速鐵路有砟道床斷面結(jié)構(gòu)（砟肩堆高、形狀、寬度、枕心道砟），軌枕形狀(空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化軌枕)，道砟級(jí)配與密實(shí)度等，指導(dǎo)高速鐵路有砟道床設(shè)計(jì)、運(yùn)營與維修。

高速鐵路有砟道床，存在主要兩個(gè)方面的問題。（1）道床劣化（2）飛砟問題。有砟道床由碎石道砟所構(gòu)成，力學(xué)特性存在明顯的離散性，有砟道床問題的根本來源可歸納為由列車振動(dòng)荷載引起的道床振動(dòng)，導(dǎo)致道砟劣化、破碎產(chǎn)生累積變形、不滿足列車高速行駛的平順性要求，以及近年來，列車風(fēng)荷載與振動(dòng)的協(xié)同作用下可能發(fā)生道砟飛濺問題。采用空氣動(dòng)力學(xué),風(fēng)洞試驗(yàn),離散單元法,軌道力學(xué)試驗(yàn),隨機(jī)過程可靠度方法等進(jìn)行了多角度協(xié)同研究，共計(jì)產(chǎn)生標(biāo)注SCI和期刊論文20篇以上，發(fā)明專利2項(xiàng)，培養(yǎng)研究生5名，較好的完成了研究項(xiàng)目，研究成果在伊朗德伊高鐵/俄羅斯莫喀高鐵得到了應(yīng)用和體現(xiàn)，能滿足速度350km/h及以上的運(yùn)營要求。 2100433B

在采礦工程中，礦巖散體流動(dòng)的規(guī)律和仿真方法是礦業(yè)理論研究領(lǐng)域的重要研究方向。本項(xiàng)目在物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于巖石流變性質(zhì)，建立巖層移動(dòng)的力學(xué)本構(gòu)方程，結(jié)合隨機(jī)理論，研究散體流動(dòng)時(shí)空演化規(guī)律，建立散體流動(dòng)時(shí)空演化仿真模型，給出下沉系數(shù)與時(shí)間影響系數(shù)定義與計(jì)算方法，在深層次上對(duì)礦巖散體的流動(dòng)空間過程和時(shí)間因素進(jìn)行反演研究，探求散體流動(dòng)機(jī)理和時(shí)空演化仿真模型之間的內(nèi)在聯(lián)系。同時(shí)，利用大規(guī)模并行計(jì)算技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)散體流動(dòng)規(guī)律模擬，從而可以對(duì)散體流動(dòng)的時(shí)空演化規(guī)律進(jìn)行更深入、更廣泛的研究。本項(xiàng)目的研究成果將促進(jìn)多維空間下散體流動(dòng)規(guī)律的研究，對(duì)于研究解決采礦工程中涉及散體流動(dòng)方面的工程問題也具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。