肖军华,张德,王延海,郭佳奇 (同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海 201804) 摘要: 引入离散元法(DEM)-有限差分法(FDM)耦合算法对普通铁路碎石道床-土质基床的界面应力进行分析。首先,基于激光扫描以及室内三轴试验,实现碎石道砟颗粒二维精细化离散元建模,并通过设置界面单元进行道砟与土两类不同介质层间速度与力的相互传递,实现离散元法与有限差分法耦合,建立了轨枕-碎石道床-连续土体耦合模型,并通过现场实测结果验证模型的合理性。在此基础上,计算列车通过时耦合模型中基床动应力分布特征,讨论轨枕-道床接触状态对其影响,并将计算结果与轨枕-道床-基床的整体有限元模型的计算结果进行对比。结果表明,轨枕-道床未完全密贴接触状态下,道床中力链呈离散型传递,反之,道床中力链呈向下扩散发展;两种接触状态下,基床表面应力分布差别显著,但是应力峰值接近。耦合模型得到的基床表面应力峰值显著高于有限元模型的计算结果;耦合模型中因道砟散体特性引起的基床表面局部应力集中,在路基中的影响深度约为道砟最大粒径(63 mm)的8倍,即近似基床表层深度。 关键词: 有砟道床;离散元法;有限差分法;耦合算法;基床动应力 受过去经济、技术条件的限制,我国普通铁路既有线广泛采用细粒土作为路基基床填料,从而形成了碎石道床-土质基床直接接触作用的结构形式,导致线路运营中产生大量基床病害,如基床下沉、道砟陷槽以及翻浆冒泥等,给铁路运输带来了不利影响 [1] 。而随着既有线铁路实施重载化的发展战略,路基病害将进一步加剧。欧美等国家的传统铁路也存在类似的路基结构形式以及产生了相应的病害问题 [2―3] 。 道床-基床界面动应力是列车荷载通过钢轨、轨枕的分散作用并经过道床的扩散传递形成的,是基床病害形成的重要因素。目前,基于扩散角的经验法、或基于 Odemark的模量与厚度当量换算(对于道床)进而采用Boussinesq公式计算的理论解析法 [4] 、或基于弹塑性理论的轨道-路基动力有限元法等都可以对路基面应力进行量化。然而,这些方法均是从宏观角度(即把碎石道床看作一个整体)来进行应力分析的,不能反映列车荷载在道砟颗粒体系中传递和道床-基床界面接触应力形成演化的细观实质,更不能体现随机分布的道砟形状、尺寸和粒径等对界面接触行为的影响。而采用传统土压力盒的测试方法通过现场或模型试验对有砟轨道路基面应力测量