基于離散元分析的道砟墊對(duì)鐵路有砟道床的影響

摘 要：為了準(zhǔn)確、高效地評(píng)價(jià)道砟墊對(duì)有砟道床內(nèi)部各方面性能的影響，本文運(yùn)用離散元方法建立了有砟道床模型，并從力學(xué)性能等方面分析對(duì)比了有無道砟墊對(duì)有砟道床中部結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：有道砟墊比無道砟墊內(nèi)部顆粒的接觸力峰值要小，且接觸力的分布也更加均勻;當(dāng)有砟道床內(nèi)部道砟顆粒之間平均接觸力更小、分布更加均勻時(shí)，可以有效減輕道砟磨耗和破壞，對(duì)控制道砟粉化具有重要意義。

關(guān)鍵詞：有砟道床;離散元;振動(dòng)加速度

中圖分類號(hào)：U213.72文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）13-0107-03

Influences of the Ballast Mat on Ballasted Track Bed

Based on Discrete Element Analysis

XIAO Zhencheng

（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.，Wuhan Hubei 430063）

Abstract： In order to accurately and efficiently evaluate the influence of ballast pad on the internal performance of ballast bed， this paper used the discrete element method to establish the ballast bed model， and analyzed and compared the influence of ballast pad on the middle structure of ballast bed from the aspects of mechanical properties. The results show that the peak value of the contact force of the particles in the ballast pad is smaller than that in the non ballast pad， and the distribution of the contact force is more uniform; when the average contact force between the particles in the ballast bed is smaller and more uniform， the abrasion and damage of the ballast can be effectively reduced， which is of great significance to control the ballast pulverization.

Keywords： ballasted track bed;discrete element;vibration acceleration

有砟道床是軌道結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部件，在列車荷載下，其與上下部結(jié)構(gòu)間的相互作用會(huì)導(dǎo)致道砟顆粒傷損，并影響其服役性能。上部軌排會(huì)拍打道床，導(dǎo)致道砟顆粒破碎;下部基礎(chǔ)則會(huì)導(dǎo)致道砟粉化或道砟侵入路基面內(nèi)[1]。

采用離散元方法能更準(zhǔn)確地模擬顆粒之間的相互作用，將散體顆粒之間的接觸和咬合以及整個(gè)有砟道床的離散性體現(xiàn)出來，從而更準(zhǔn)確地計(jì)算整個(gè)道床的受力特性。為了準(zhǔn)確、高效地評(píng)價(jià)道砟墊對(duì)有砟道床各方面性能的影響，本文運(yùn)用離散元方法建立了有砟道床模型，并從力學(xué)性能等方面對(duì)比了有無道砟墊對(duì)有砟道床中部分結(jié)構(gòu)的影響。

1 計(jì)算模型

采用離散元方法建立有砟道床模型，研究?jī)?nèi)容包括以下三個(gè)部分：道砟顆粒、軌枕、道砟墊。

1.1 道砟顆粒模型

道砟外形極不規(guī)則，如何最大程度地模擬道砟顆粒形態(tài)是研究的關(guān)鍵和難點(diǎn)。研究者選用重疊算法生成了能簡(jiǎn)單模擬道砟的顆粒簇，并在一定程度上反映道砟顆粒間的邊—角、角—角接觸及相互咬合關(guān)系[2]。

考慮計(jì)算量、計(jì)算精度及本文需要研究的問題，這里的顆粒模型采用的顆粒簇平均由7個(gè)圓球組成，且顆粒簇的外形為隨機(jī)生成，單個(gè)圓球半徑為2 cm。本文的顆粒簇為不可破碎單元，不考慮荷載下道砟顆粒破碎的情況。由多個(gè)小球組成的道砟模型如圖1所示。

1.2 軌枕及道砟墊模型

軌枕直接承受來自鋼軌的荷載，并將其傳遞到道床，道床再傳遞給下面的道砟墊（對(duì)于有道砟墊的情況），最后傳到下部基礎(chǔ)上。軌枕與道床以及道床與道砟墊的接觸狀態(tài)關(guān)系到有砟道床受力[3]。

采用顆粒組合體模擬道砟墊能模擬出道砟顆粒嵌入道砟墊和相互之間的彈性接觸。這里的顆粒排列是規(guī)則的排列，用以和道砟墊規(guī)則的外形對(duì)應(yīng)，道砟墊模型如圖2所示。

1.3 軌枕-道床-道砟墊三維離散元模型

本文建立了三維軌枕-道床離散元模型。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）》（TB 10621—2014）的規(guī)定，道床模型頂面寬度為3.60 m，厚度為0.35 m，邊坡坡度為1∶1.75。根據(jù)試驗(yàn)中用到的道砟盒尺寸，將模型的縱向厚度取為700 mm。模型中各種形狀的道砟在道床范圍隨機(jī)分布，形成有砟道床。軌枕采用III型混凝土枕[4-7]。道砟墊的靜態(tài)模量為0.150 N/mm3。軌枕-道床離散元模型如圖3所示。

模型中球體和墻體均滿足剛性假設(shè)，根據(jù)散體力學(xué)理論取剛度值，顆粒之間的相互作用基于Mohr-Coulomb滑動(dòng)摩擦準(zhǔn)則。相關(guān)參數(shù)的具體取值如表1所示。

研究散體道床的室內(nèi)試驗(yàn)，如道砟箱循環(huán)荷載試驗(yàn)和列車荷載模擬試驗(yàn)，均是在軌枕上施加正弦荷載。本文在軌枕承軌槽處施加正弦荷載。公式和荷載譜為[8]：

Ft=-140sin20πt-π+1? ? ? ? ? ? ?（1）

2 有砟道床力學(xué)性能分析

2.1 接觸力分布特征分析

道砟接觸力直接影響其劣化和壽命。循環(huán)荷載作用下，有道砟墊道床和無道砟墊道床在加載時(shí)內(nèi)部最大接觸力分別為3.83 4 kN和4.608 kN。圖4所示是兩種情況下的接觸力圖，圖中力的大小與黑線粗細(xì)成正比。兩種道床的接觸力圖分布形狀相似[4]。

由圖4可知，上部荷載由軌枕傳遞到道床時(shí)，道砟之間的接觸力呈臺(tái)錐體分布，臺(tái)錐體之外的接觸力接近零，所以比較最小接觸力是沒有意義的。由兩種模型計(jì)算結(jié)果可以看出，無道砟墊比有道砟墊的最大接觸力增大0.774 kN，約20.2%。

圖5是兩種道床模型在循環(huán)荷載作用下的平均接觸力變化曲線。無道砟墊時(shí)的平均接觸力為38.4 N，有道砟墊時(shí)為31.4 N。可見，無道砟墊時(shí)顆粒平均接觸力大于有道砟墊[9]。

2.2 道床振動(dòng)加速度分析

道床振動(dòng)會(huì)加速道砟老化和破碎，導(dǎo)致道砟摩擦力下降，增加道床沉降變形，引起道床沉陷和邊坡坡腳改變。這些都會(huì)導(dǎo)致道床養(yǎng)護(hù)維修工作量劇增，因此有必要研究道床振動(dòng)加速度。

圖6是模型在加載穩(wěn)定后的一個(gè)循環(huán)荷載下道床中部深度處一個(gè)測(cè)量圓范圍內(nèi)所有顆粒的平均振動(dòng)加速度圖。由圖6可知，無道砟墊和有道砟墊時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)比并不明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)有砟道床的力學(xué)性能進(jìn)行分析，對(duì)有無道砟墊兩種道床內(nèi)部受力及振動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比，可以得到以下結(jié)論。

①有道砟墊比無道砟墊內(nèi)部顆粒的接觸力峰值要小，且接觸力的分布更加均勻。

②深度范圍內(nèi)兩者之間的振動(dòng)加速度并無明顯的大小關(guān)系，需要進(jìn)一步研究。

③當(dāng)有砟道床內(nèi)部道砟顆粒之間平均接觸力更小、分布更加均勻時(shí)，可以有效減輕道砟磨耗和破壞，對(duì)控制道砟粉化具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾樹谷.鐵路散粒體道床[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1997.

[2]劉學(xué)毅，王平.車輛-軌道-路基系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.

[3]Lim W L， McDowell G R. Discrete element modeling of railway ballast[J]. Granular Matter，2005（1）：19-29.

[4]Lu M，McDowell G R. The importance of modeling ballast particle shape in the discrete element method [J].Granular Matter， 2007（1）：69-80.

[5]杜欣，曾亞武，高睿，等.基于CT掃描的不規(guī)則外形顆粒三維離散元建模[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（6）：711.

[6]German Federal Railways Specification. DB-TL918071 Technical Conditions for the Supply of? Ballast Mat[S]. Munches，1998.

[7]井國(guó)慶，封坤，高亮，等.循環(huán)荷載作用下道砟破碎老化的離散元仿真[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（2）：187-191.

[8]肖宏，高亮，侯博文.鐵路道床振動(dòng)特性的三維離散元分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2009（9）：14-17.

[9]Lim W I. Mechanics of railway ballast behavior [D].Nottingham： University of Nottingham，2004.

收稿日期：2020-04-10

作者簡(jiǎn)介：肖真誠(chéng)（1991—），男，碩士，助理工程師，研究方向：鐵路工程。