道砟胶道砟微观力学特性离散元仿真研究.doc

精品论文道砟胶-道砟微观力学特性离散元仿真研究井国庆，林建，邵帅（北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044）5摘要：道砟胶是一种道砟道床刚度调整和防治高速列车负压风载引起飞砟重要材料，其与道 砟作用微观力学特性研究较少。本文基于离散单元法，采用满足实际尺寸大小不规则球体簇 代表道砟三维颗粒，建立道砟胶-道砟-轨枕离散三维模型，利用抗拉强度与剪切强度连接杆 模拟道砟胶固化胶结作用，单调加载荷载作用下，研究道砟作用力、轨枕沉降和系统刚度变 化规律。离散单元法分析结果表明：道砟胶能改变道砟-轨枕微观传力结构，降低轨枕沉降，10提高道砟箱体模型承载力，提高道砟箱体模型整体刚度；道砟箱体模型整体刚度随着道砟胶 喷射厚度增加，呈非线性变化规律，表层 10cm 道砟胶具有显著作用效果。关键词：离散单元法；道砟-轨枕；道砟胶；刚度中图分类号：U213 15文献标识码: A15Micro-Analysis of Railway Ballast bond effect by DEMJing Guoqing, Lin Jian, Shao Shuai(Civil Engineering School, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)Abstract: Ballast glue is a material to adjust ballast stiffness and stabilize ballast from flying due to high speed train wind; its ballast-glue system is less of microscopic mechanism research. In this20paper, 3D DEM method is used to produce sleeper-ballast-glue model, ballast is made of real size irregular clumps, the ballast glue is represented by bonds to simulate the tensile and shear strength.The monotonic loadings results show the ballast-sleeper microscopic contact force chain distribution is changed due to ballast glue bonding effects, the ballast-box bearing ability is improved with ballast global stiffness increase; ballast-box global stiffness increases with the glue25bonding layer depth non-linearly, and is governed by the top 10cm layer.Keywords: DEM; ballast-sleeper; ballast glue; stiffness0引言道砟胶是一种或者多种胶结材料组合胶结材料（如多羟基化合物，异氰酸酯等）。其作30用是通过对道砟之间深度粘结和加固，提高道砟颗粒的弹性压缩与刚度，同时还具有粘结道 床表面道砟效应。道砟胶通过对道砟表面加固以及一定深度粘结，主要应用为两种：表面胶 结及结构胶结。前者主要阻止道砟在道床表面移动，而不是提高道床承载能力，比如喷射道 砟胶 4-7cm 深度（超过一个道砟平均粒径）。主要用途与功能如下：防止飞砟（飞溅）；改 善道床表面清洁度，如巴黎部分道砟道床地铁利用真空吸尘车清扫道床表面垃圾，其道砟表35面使用道砟胶；保持道砟道床几何平面形状（尤其是砟肩），防止行人等原因引起的变化。 后者主要是提高道床承载力与稳定性，喷射道砟胶厚度为 10-25cm。比如用于道床过渡段刚 度调整；提高道床结构安全性、增强道床纵横向稳定性；提高小半径曲线处的横向阻力、道 砟边坡固定和稳定，减缓或消除道砟粉化防止翻浆冒泥。道砟胶材料是已证实的环保材料， 同时具备良好耐紫外线、耐酸碱、耐油污腐蚀性能，以及优秀耐候性、耐冻融性能和抗霜冻40性能1。 道砟胶强力胶结作用以及良好外界适应性促使其在有砟道床中得到重要应用。但目前对道砟道床以及道砟胶-道砟微观性能研究还不够充分，即使已通过相关试验研究，道砟与道基金项目：国家自然科学基金（51108026）；北京交通大学基本科研业务费（2012JBM084）作者简介：井国庆，（1979-），男，讲师，主要研究方向：轨道工程，侧重于有砟轨道研究。 E-mail:gqjing- 6 -砟胶微观力学特性还不是很清楚，微观相互作用规律有待于进一步深入研究1-3。本文基于 离散单元法建立轨枕-道砟-道砟胶相互作用模型，利用不规则球体组合模拟道砟颗粒，道砟45之间胶结点设置为能抵抗拉伸以及剪切力的连接杆。通过对道砟胶喷涂灌注深度、胶结强度 进行仿真研究，研究微观下道砟胶与道砟颗粒相互作用规律，对道砟胶道床特性提供准确有 效评估方法和理论依据。1原理与方法1.1 物理结构50道砟胶-道砟作用机理以及力学特性由物理接触状态与彼此性能组合决定。道砟胶是使 用专业设备将道砟胶喷涂或者灌注方式浸润到道床内部或者表面，在道砟-道砟颗粒各接触 部位固化粘结使散体道床形成一个具有良好刚性和稳定性整体，在列车高速通过的时候将冲 击力均匀地向下传递，如图 1 所示，结构介于散体和刚体之间3。需要注明道砟胶仅在道砟颗粒相互接触点形成强有力连接，其它地方存在大量空隙，散55体排水性没有降低，见图 2，同时由于道砟胶在道砟粗糙颗粒表面形成光滑胶结外层，与水 粘滞系数降低，喷射道砟胶后排水性反而微弱提高2-3。6065水70图 1 道砟胶连接示意图 图 2 道砟胶试块排水演示Fig. 1 Ballast-glue connection diagram Fig. 2 Bsllast-glue test block drainage demo1.2 离散模型离散单元方法基本原理是将颗粒体分离成离散单元的集合，利用牛顿第二定律建立每个75单元的运动方程，用动态松弛法迭代求解，从而求得颗粒体的整体运动性态,详见4。考虑 块体结构基本力学特性，描述块体非连续力学行为，块体之间可发生滑动、张开、甚至完全 脱离，并在计算过程中能自动识别新接触，块体间作用力通过块体接触传递，块体之间不需 要满足变形协调条件，适合于求解弹塑性、大变形问题，适合铁路道砟道床受力变形4-6。三维颗粒流软件 PFC3D (Particle Flow Code 3D)是研究散体力学的一种成熟数值软件，80基于离散元理论模型，对球形颗粒的运动和相互作用进行模拟，也可以通过球形颗粒的黏接、 组合近似模拟任意形状的颗粒4-5，7。因此 PFC3D 可简化道砟颗粒-轨枕相互作用过程模拟， 可通过调整边界条件、受力情况和颗粒性质来模拟不同道砟颗粒在轨枕作用下力学反应。本 文采用不规则多面体球组合模拟道砟颗粒、球体聚单元模拟轨枕、墙单元作为边界条件, 建精品论文859095100105立轨枕- 道砟道床-道砟胶三维实体模型,取该道砟箱体模型长宽高为（道砟层高度）1500×600×300mm，利用上述所示道砟颗粒填充生成道砟轨枕模型，轨枕尺寸 800×260×150mm， 道砟-轨枕箱体离散模型见图 3。图 3 离散单元箱体模型Fig. 3 Discrete element box model道砟颗粒大小为 16.5-63mm 之间，满足有关规定。根据道砟胶物理特点，道砟胶渗透进 入骨料结构，仅在骨料表面成膜，仅在骨料接触点粘结与骨料形成抗压整体。离散元仿真中 设定标准为道砟颗粒接触处为胶结处，反映真实道砟胶与道砟物理接触。相应在离散单元模 型中通过设置连接杆将道砟之间接触点赋予力（法向和切向），如果接触力小于其法向或切 向连接杆强度，道砟-道砟胶颗粒不发生相对运动，仍作为一个整体，当道砟-道砟胶作用力 超过连接杆强度后，胶结道砟分离，连接杆作用力为 0，连接杆的形成与断裂分离模拟道砟 胶形成与开裂。PFC3D 连接杆功能很符合道砟胶-道砟实际工作物理性质,以往在 PFC 中一方 面连接杆用来形成复杂散体颗粒形状，另一方面设定连接杆强度进而研究散体颗粒的开裂与 老化等，取得了较好的效果8-9。本文中相对应试验所采用道砟胶材料拉伸剪切强度为 15 Mpa 左右1,据此假定道砟胶连接杆强度 500N，实际道砟胶-道砟作用体系中，道砟胶连接杆强度 与接触位置等有关，该强度值为一离散值，在此计算中做均一值假定。道砟-轨枕箱体模型 中材料力学参数选取如表 1 所示，其中阻尼系数取默认值 0.74。表 1 离散单元法计算参数Table 1 Discrete element method to calculate parameters道砟 轨枕 连接杆法向刚度/( N·m-1)5e8法向刚度/( N·m-1)5e8拉伸强度/N500切向刚度/( N·m-1)5e8切向刚度/( N·m-1)5e8剪切强度/N500颗粒密度/( kg·m-3)2600颗粒密度/( kg·m-3)2800摩擦系数0.5摩擦系数0.5110研究文献表明，道砟颗粒是影响道砟散体受力特性重要方面4-7。为真实描述实际铁路道砟颗粒形状与大小，本文采取不规则颗粒簇生成道砟颗粒7，道砟为不规则多面颗粒体， 借以更加真实反应道砟道床中道砟颗粒之间边-角、角-角接触，以及相互咬合力等，文中颗 粒簇平均由 18.4 个圆球叠加组合而成。多个圆球叠加后颗粒簇作为一个刚体整体参加运算， 内部没有任何应力，提高运算速度同时，生成不规则多面体颗粒道砟，从而更加真实的模拟 道砟颗粒之间咬合力3。图 4 中列举模型中多个道砟颗粒形状。115120125130135图 4 道砟颗粒簇形状Fig. 4 Ballast particles cluster shape2结果与分析分别建立四个道砟-轨枕箱体离散单元模型，所有数值模型中原始道砟颗粒级配、粒径、 接触位置、约束条件与荷载均相同，模型中唯一异同点分别为无道砟胶、道砟胶表层厚度为10cm、道砟胶表层厚度为 20cm 和道砟胶贯穿道砟层 30cm。下面分别从微观力学特性与宏观 整体特性方面进行研究，揭示道砟-道砟胶-轨枕箱体受力特性与影响变化规律。需要指出的 是，所有数值模拟结果为准静力学过程，在计算过程中，系统平均不平衡力与平均接触力比 值小于 0.014。2.1 道砟颗粒接触力分布图 5 为无道砟胶、道砟胶不同喷射厚度工况下道砟-轨枕箱体受力图，轨枕施加荷载为50kN。从图 5 中可以看出：道砟胶改变道砟散体材料受力特性，道砟颗粒具有部分粘结成为 整体特征，轨枕与道砟粘结，与道砟胶固化成为一整体结构，道床表层道砟呈现拉应力（红 色部分为拉应力）。随着道砟胶固化深度增加，接触力分布继续改变。同时比较道砟胶-道 砟-轨枕系统在相同压力下最大接触力可知，随着道砟胶作用深度增加最大接触力降低，如 当道砟胶作用深度为表层 10cm 时，最大接触力从 5214N 降低为 3100N，降幅达到 40.5%。理 论微观上证明，道砟胶-道砟系统有益效果是降低最大接触力，减小道砟破裂与延缓道砟颗 粒老化，有利于提高实际工程中道砟道床养护维修周期，延长道砟寿命。(a)无道砟胶,最大接触力 5214N (b)道砟胶 10cm，最大接触力 3100N140145150155(c) 道砟胶 20cm，最大接触力 2841N (d) 道砟胶 30cm，最大接触力 2781N图 5 道砟受力图与道砟最大接触力变化图Fig. 5 Ballast by trying to ballast contact force changes in Figure2.2 轨枕沉降图 6 为道砟-道砟胶-轨枕箱体模型四种工况下轨枕单调加载下沉降图，轨枕施加单调荷 载最大为 50kN。从图中可以看出，道砟胶-道砟作用体系能显著降低轨枕沉降（道砟颗粒相 对位移被限制，减少），同时随着道砟胶与道砟作用厚度增加，轨枕沉降相应减少。如当道 砟胶作用表层道砟 10cm 厚度时，轨枕最大沉降值从 5.88mm 减小 2.79mm,减小幅度为无道砟 胶作用时的 52.4%。轨枕-道砟箱体刚度随道砟作用厚度变化如图 7 所示。结果表明，随着道砟胶与道砟作 用厚度增加，道砟-轨枕箱体模型垂向支撑刚度相应增加,且呈非线性变化趋势。如当道砟胶 厚度为 10cm 时，在轨枕加载竖向力为 40kN 时，轨枕-道砟箱体模型支承刚度提高 117%，该 数值模拟结果与相关道床模型试验有较好一致性1。同时还可以从图 6 与图 7 中看出，表层10cm 道砟与道砟胶作用厚度对道砟-道砟胶-轨枕箱体模型沉降和刚度效果明显，该结果对 道砟胶现场使用具有重要工程意义，如过渡段刚度调整等。6m-1)245无道砟胶 表层10cm 表层20cm贯 穿30cm4沉降/mmMN刚度 /(3162121800 1x104 2x104 3x104 4x1045x104力/N0102030道砟胶厚度/cm图 6 轨枕沉降图 图 7 轨枕-道砟箱体刚度图Fig.6 Sleeper settlement map Fig.7 Sleeper - ballast box stiffness Figure1603结论应用离散元法建立三维道砟-轨枕箱体离散模型,其中道砟为由小球粘结生成的不规则 多面体，利用离散单元法中颗粒接触位置连接杆模拟道砟胶拉伸及剪切作用，道砟-道砟接 触点位置生成连接杆（道砟胶），轨枕单调加载下，分析模型在荷载作用下准静态力学响应165170175180规律,所得结论如下:道砟胶能从微观结构上改变道砟轨枕传力系统，显著提高道砟承载力，尤其是降低最大 接触力，延长维修周期。道砟胶-道砟体系在轨枕荷载下产生拉应力，该拉应力限制道砟颗粒位移，道砟粘成整 体，防止发生飞砟现象。道砟胶可调整道砟支承刚度，道砟整体刚度随着道砟胶喷射厚度增加，增加呈非线性特 点。表层 10cm 厚度道砟胶最有利于道床整体稳定性。道砟胶固化作用可以降低道砟之间摩擦，减少道砟粉化，减小板结可能性，延长道床寿 命，降低维修量。同时,道砟胶可应用在小曲线半径无缝线路、无砟轨道向有砟轨道的过渡 段上,以提高道床横向阻力、调整道床支承刚度。今后重点进一步研究道砟胶-道砟相关物理参数与约束条件影响规律，定量指导工程实 践应用。致谢感谢国家自然科学基金（编号：51108026）和北京交通大学基本科研业务费支持（编号：2012JBM084）。参考文献 (References)1851901951 王平.道砟胶对道床参数影响研究报告R,西南交通大学.2010Wang Ping.The Ballast-glue impact parameters report of the track bedR, Southwest Jiaotong University.2010 2 王斌，王平.道砟胶对道床参数的影响研究J.铁道标准设计,2010,11,23-26Wang Bin, Wang Ping. 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