高速鐵路散體道床力學(xué)行為、劣化機理及變形規(guī)律研究項目摘要

針對現(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)值模擬與試驗研究相結(jié)合的方法，把可以反映散體道床細觀力學(xué)行為的高性能離散元分析模塊引入到車輛－軌道耦合動力學(xué)模型中，建立基于多體動力學(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、以及道床動力特性和變形對車輛－軌道耦合振動的影響，提出高速鐵路散體道床性能與狀態(tài)演變的預(yù)測方法，給出有砟軌道狀態(tài)控制建議準則，為不同速度等級的高速鐵路有砟軌道維修養(yǎng)護與安全管理提供科學(xué)依據(jù)和理論支撐。預(yù)期成果對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。

本項目圍繞高速鐵路散體道床力學(xué)行為、狀態(tài)劣化機理及累積變形規(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)行為及細觀機理研究，道砟材料剪切力學(xué)行為的室內(nèi)試驗與離散元模擬，高速鐵路道砟振動特性的室內(nèi)試驗與離散元模擬，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實尺模型試驗研究，荷載工況和道砟參數(shù)對道床累積變形的影響機制與規(guī)律研究，高速鐵路有砟軌道幾何狀態(tài)預(yù)測分析與控制方法研究。本項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)性能試驗技術(shù)，提出了綜合運用離散元、有限元、車輛-軌道耦合動力學(xué)的散體道床力學(xué)行為模擬新方法與新技術(shù)。通過實驗研究和數(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)計數(shù)據(jù)，給出了道砟破碎力學(xué)行為的統(tǒng)計特性和細觀力學(xué)機制，獲得了含沙道砟、土工格柵強化道砟直剪力學(xué)性能與參數(shù)影響機制，揭示了行車速度、荷載條件、道砟級配以及格柵加固等對鐵路道砟振動和累積變形的影響規(guī)律。項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軌枕與道床間動態(tài)的接觸/空吊的狀態(tài)閾值，提出了基于列車運行動力學(xué)品質(zhì)的不平順敏感波長及波深控制建議限值。項目研究成果為高速鐵路有砟軌道工程設(shè)計與養(yǎng)護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《高速鐵路有砟軌道不平順譜》的制訂中得到體現(xiàn)。 2100433B

飛砟是高速鐵路列車動力和列車風(fēng)空氣動力共同作用下產(chǎn)生的破壞性現(xiàn)象，嚴重制約高速有砟道床應(yīng)用與發(fā)展。本項目擬基于鐵道工程學(xué)科，研究列車動力、空氣動力多場共同作用下有砟道床力學(xué)宏細觀特性，闡明飛砟機理，優(yōu)化高速鐵路有砟道床斷面結(jié)構(gòu)，量化飛砟隨機過程可靠度進行風(fēng)險評估。具體地，擬開展有砟道床動力特性和風(fēng)工程研究，包括：（1）協(xié)同研究散體動力、空氣動力作用下飛砟機理，開展有砟道床空氣動力學(xué)和動力特性測試，包括風(fēng)洞試驗與現(xiàn)場試驗；（2）闡明飛砟機理及影響因素，應(yīng)用隨機過程理論及可靠度分析方法，為高速鐵路飛砟風(fēng)險評估奠定基礎(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(空氣動力學(xué)優(yōu)化軌枕)，道砟級配與密實度等，指導(dǎo)高速鐵路有砟道床設(shè)計、運營與維修。

高速鐵路有砟道床，存在主要兩個方面的問題。（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荷載引起的道床振動，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)荷載與振動的協(xié)同作用下可能發(fā)生道砟飛濺問題。采用空氣動力學(xué),風(fēng)洞試驗,離散單元法,軌道力學(xué)試驗,隨機過程可靠度方法等進行了多角度協(xié)同研究，共計產(chǎn)生標(biāo)注SCI和期刊論文20篇以上，發(fā)明專利2項，培養(yǎng)研究生5名，較好的完成了研究項目，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及以上的運營要求。 2100433B

在采礦工程中，礦巖散體流動的規(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。本項目在物理實驗的基礎(chǔ)上，基于巖石流變性質(zhì)，建立巖層移動的力學(xué)本構(gòu)方程，結(jié)合隨機理論，研究散體流動時空演化規(guī)律，建立散體流動時空演化仿真模型，給出下沉系數(shù)與時間影響系數(shù)定義與計算方法，在深層次上對礦巖散體的流動空間過程和時間因素進行反演研究，探求散體流動機理和時空演化仿真模型之間的內(nèi)在聯(lián)系。同時，利用大規(guī)模并行計算技術(shù)，在計算機上實現(xiàn)散體流動規(guī)律模擬，從而可以對散體流動的時空演化規(guī)律進行更深入、更廣泛的研究。本項目的研究成果將促進多維空間下散體流動規(guī)律的研究，對于研究解決采礦工程中涉及散體流動方面的工程問題也具有重要的理論與現(xiàn)實意義。