基于离散元的冲击荷载下土工格室加固道砟的力学性能研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着人口的迅速增长，人们对于铁路的需求越来越大，尤其是更加重型、高速的列车渐渐进入我们视野。但这同时引起了另一个问题，即路基病害也在不断增加。尤其在铁路轨道过渡段区域，由于两侧轨道刚度的差异，会使铁轨产生不均匀沉降，当列车驶过该区域时，就会对轨道产生巨大的冲击荷载(yu qian和erol tutumluer等人，2013)。由于道砟颗粒的离散性，在列车反复的循环和冲击荷载作用下，道砟会产生竖向和水平变形(ngoc trung ngo和buddhimaindraratna等人，2019)，从而使这种不均匀沉降越来越显著，导致铁轨的几何形状发生改变，严重的会导致跳车甚至出轨的危险。因此如何去改善这一不均匀沉降是十分值得研究的话题，其对行车安全、铁路维护的周期和成本都会带来显著的效益。

对于如何改善道砟的沉降，已经有很多学者做过相关方面的研究。li和 davis研究认为道砟层和底砟层性能不足是导致铁轨几何形状发生变化的主要原因。s k. navaratnarajah和buddhima indraratna等人通过大型循环冲击荷载试验研究了道砟的性能以及橡胶垫降低道砟破碎的性能，研究发现弹性橡胶垫的使用显著降低了由于高循环应力和冲击应力引起的道碴变形和退化。ngoc trung ngo和buddhima indraratna等人研究了随着冲击荷载的增大以及冲击次数的增加，道砟的竖向和水平位移也显著增加，同时当加入橡胶吸能排水板能显著降低这一位移。cheng chen和buddhimaindraratna 通过离散元软件模拟研究了道砟在高频循环荷载作用下由道床和路肩道砟产生的围压对其垂直沉降和横向扩展的影响，发现仅靠这些围压远远不能减轻道砟的垂直沉降和横向扩展，并通过在道砟中加入土工格栅发现能够增加围压从而减小道砟沉降。cheng chen和g.r. mcdowell等人利用离散元模拟了土工格栅加固道砟，发现土工格栅能够显著降低道砟沉降并通过在三个不同位置布置土工格栅以及布置不同尺寸的土工格栅确定了最佳加固位置和最佳格栅尺寸。sagar raj satyal和ben leshchinsky等人通过大型循环加载和有限元模拟研究了在循环荷载作用下，覆盖在软弱路基上土工格室加固道砟对其沉降的改善。yu qian和erol tutumluer等人通过离散元法对不同级配、不同集料形状的四种道床材料的全尺寸轨道变形进行了数值模拟研究表明在轨道过渡段各区段合理选择道砟材料修建有砟轨道可实现沉降匝道引道，以缓解不均匀沉降。井国庆等人研究了道砟破碎对道砟沉降的影响，发现使用更高强度的道砟颗粒能够减少道砟沉降。徐旸和高亮等人对道砟颗粒进行了精细化的建模工作，研究发现级配宽的道砟有更小的道砟接触力，道砟发生劣化的概率更低，同时不规则的颗粒外形能大大提升道床的力学性能。高亮和罗奇等人通过离散元法模拟研究了弹性轨枕改善铁路道床性能。结果表明弹性轨枕增加了轨枕的沉降量，减少了道床振动和颗粒间的接触力，降低了道床的破损率。

土工格室作为一种新型土工合成材料，最早出现于20世纪80年代，是美国军方开发的三维加固材料。由于其良好的力学性能以及加固效果现已被广泛用于公路和铁路中。王炳龙和梅祯等人采用不同焊距、高度的土工格室加固铁路基床与换砂法试验进行了对比，发现焊距为340mm和400mm的土工格室相较于换砂法能显著降低轨下动应力而大焊距的土工格室降低效果不明显，同时随着格室高度的增加，动应力会逐渐衰减。罗强和周华等人通过现场试验研究了在基床换填深度相同的情况下，有（无）土工格室加筋的砂夹卵石垫层的不同加固效果。张荣通过物理模型试验对土工格室加固软弱地基进行了研究，表明土工格室加筋层能有效扩散上部荷载，使软弱路基中的压力分布更加均匀，同时由于土工格室的侧向约束，提高了路基的抗剪强度。何艳平等人利用有限元模拟了土工格室加固软弱基床，表明土工格室能减小总沉降和差异沉降，同时土工格室模量越大，加固效果越明显。bassam saad等人利用有限元对土工格室加固路面基础进行了模拟，分别模拟了基层-沥青混凝土界面、基层-路基界面和基层内距底部1/3厚度处三个位置放置土工格室，表明土工格室加固路基能减小疲劳应变和车辙应变，且在基层-沥青混凝土界面处效果最好。buddhima indraratna和f.asce等人通过大比例尺三轴试验研究了土工格室加固底砟引起的附加压力能减少其体积应变和垂直应变。benleshchinsky等人通过室内试验和有限元模拟发现土工格室能提高碎石路堤的刚度和强度，同时能减小了路基的竖向沉降和横向扩展。benleshchinsky利用有限元模拟了土工格室加固道砟，结果表明在车轮点荷载下，土工格室限制降低了道砟的垂直沉降和横向扩展，不仅使路基应力分布更均匀同时减小了路基应力。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：本研究主要是模拟道砟在冲击荷载作用下的沉降，分为以下几种情况：1、研究道砟在未加固情况下承受冲击荷载的沉降。2、研究道砟通过土工格栅加筋后承受冲击荷载。3、研究道砟通过土工格室加筋后承受冲击荷载的沉降。4、研究土工格室在不同加固位置（上、中、下）道砟承受冲击荷载的沉降。

目标：通过比较上述几种不同加固方案的结果，选择出最佳的加固方案以及加固位置，进一步丰富土工格室加固道砟的研究工作。

3. 研究计划与安排

第1-2周：查阅相关文献资料，明确研究目标与研究内容。确定研究方案，完成开题报告。

第3-5周：了解道床的劣化机制以及冲击荷载下道砟的基本力学特性，完成相关土工材料，特别是土工格室规范的学习，熟悉掌握相关离散元计算软件pfc3d的使用。

第6-9周：建立道砟箱模型，把道砟和土工格室模型应用到 冲击荷载模拟中，完成模拟的建模及加载过程。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]赵金凤. 铁路道碴力学特性的离散元分析[d]. 大连理工大学, 2014.

[2]徐旸, 高亮, 杨国涛,等. 道砟颗粒的精细化建模及对道床力学性能影响[j]. 铁道学报, 2014(9):73-78.

[3]赵春发, 张徐, 翟婉明. 高速铁路碎石道砟振动的离散元模拟[j]. 计算力学学报, 2015(5):674-680.