基于离散元方法的道床捣固及吹砟维护机理.pdf

文章编号：0258-2724(2024)02-0256-09DOI:10.3969/j.issn.0258-2724.20220171基于离散元方法的道床捣固及吹砟维护机理陈成1，饶文锦1，李文俊2，张磊1，汤语嫣1（1.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430000；2.中国港湾工程有限责任公司，北京100027）摘要：为从细观上研究捣固和吹砟的维护机理，建立了离散元道砟箱数值模型，并耦合多体动力学的捣固镐模型和计算流体力学的吹砟管模型，对捣固与吹砟的作业全过程进行可视化模拟，基于离散元耦合数值模拟，对比分析了 2 种道床维护方法对道床扰动及作业后轨枕沉降.结果表明：吹砟作业各阶段对道床的扰动和道砟平均接触力均小于捣固，且扰动主要集中在下插阶段，吹砟作业过程中道砟颗粒速度峰值和接触应力峰值仅为捣固的37.5%和 38.9%；捣固后，轨枕底部区域密实度提高了约 13.6%，轨枕间上部和下部区域密实度分别降低了约21.0%和提高了约 4.8%；吹砟后，轨枕底部区域密实度提高了约 6.5%，轨枕间上部和下部区域密实度几乎无变化；在轨枕底部吹入碎石，吹砟作业极大地改善了轨枕底的接触状态和应力扩散，轨枕与道砟颗粒接触数增加了约 243%，荷载传递更均匀；1000 次循环加载后，吹砟作业后的轨枕沉降相较捣固和未维护工况分别减少了约18.1%和 44.4%.关键词：道砟；离散元；捣固；吹砟；道床维护中图分类号：U216.422文献标志码：AMaintenance Mechanism of Ballast Tamping and Stone-Blowing UsingDiscrete Element MethodCHEN Cheng1,RAO Wenjin1,LI Wenjun2,ZHANG Lei1,TANG Yuyan1(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430000,China;2.ChinaHarbourEngineeringCompanyLtd.,Beijing100027,China)Abstract:Inordertostudythemaintenancemechanismofballasttampingandstone-blowingfromamicroview,aballastboxnumericalmodelusingthediscreteelementmethodwasestablished,andthewholeprocessesofballasttampingandstone-blowingwerevisuallysimulatedbycouplingthetampinghammermodelofmulti-bodydynamicsandtheblowingtubemodelofcomputationalfluiddynamics.Basedonthediscreteelementcouplednumerical simulation,the effects of two ballast maintenance methods on ballast disturbance and sleepersettlementafteroperationwerecompared.Theresultsshowthattheballastdisturbanceandtheaveragecontactforce of the ballast of the stone-blowing are less than those of the tamping,and the disturbance is mainlyconcentratedintheinsertionstage.Moreover,thepeakvelocityandcontactstressofballastparticlesduringthestone-blowingareonly37.5%and38.9%ofthoseduringthetamping.Aftertamping,thecompactnessatthebottomofthesleeperisincreasedbyabout13.6%,andthecompactnessoftheupperandlowerareasbetweensleepers is reduced by about 21%and increased by about 4.8%,respectively.After stone-blowing,thecompactnessatthebottomofthesleeperisincreasedbyabout6.5%,andthecompactnessoftheupperandlowerareasbetweensleepersisalmostunchanged.Duetothestone-blowingbeneaththesleeper,thestone-blowinggreatlyimprovesthecontactstateandstressdiffusionatthebottomofthesleeper.Thecontactnumberbetween收稿日期：2022-03-06修回日期：2022-04-24网络首发日期：2022-05-23基金项目：国家自然科学基金（51708438，52178353）；中央高校基本科研业务费（225206001，022CG030）第一作者：陈成（1987），男，副教授，博士，研究方向为有砟轨道沉降及离散元数值模拟，E-mail：通信作者：张磊（1983），男，副教授，博士，研究方向为岩土材料与结构之间相互作用，E-mail：引文格式：陈成，饶文锦，李文俊，等.基于离散元方法的道床捣固及吹砟维护机理J.西南交通大学学报，2024，59(2)：256-263，306CHENCheng,RAOWenjin,LIWenjun,etal.Maintenancemechanismofballasttampingandstone-blowingusingdiscreteelementmethodJ.JournalofSouthwestJiaotongUniversity,2024，59(2)：256-263，306第59卷第2期西南交通大学学报Vol.59No.22024年4月JOURNALOFSOUTHWESTJIAOTONGUNIVERSITYApr.2024thesleeperandtheballastparticlesincreasesbyabout243%,whichmakestheloadtransfermoreuniform.After1 000 cycles of loading,the sleeper settlement after stone-blowing is reduced by about 18.1%and 44.4%respectivelycomparedwithtampingandunmaintainedconditions.Key words:ballast;discreteelementmethod;tamping;stone-blowing;ballastmaintenance有砟轨道在列车动荷载作用下，道砟颗粒发生相对错动、破碎、磨耗和重组，引发道床的劣化、承载力降低和永久沉降，从而影响列车的行驶安全1，因此需要定期维护作业.捣固作为最常见的维护措施之一2，会造成道砟的扰动和破碎，从而改变道床结构和道砟级配.此外，由于不能引入额外道砟，在反复列车荷载和捣固作用下，轨道很快恢复到维护前的状态，这种现象也被称为道砟的“记忆效应”3.早期研究发现，在轨枕底铺设额外的一层碎石能够更长久地保持轨道几何形位，后经研究证实，道砟受力发生破碎主要集中在轨枕接触下方，颗粒越大越容易破碎粉化4.随后在轨枕底部用高速气流作为动力鼓入碎石的养护维修方法即吹砟被提出5.针对 2 种不同的维护方式，不少学者对其进行了研究.Sol-Snchez 等6通过室内道砟箱进行捣固和吹砟试验，研究表明，吹砟不仅在保持轨道几何形位和减少维护频率方面更具优势，而且能够使道床的短期和长期力学性能更加稳定，道砟和下部结构的劣化程度更低.Anderson 等7进行了一系列道砟箱模型试验，证实了吹砟是一种比捣固更好的道床维护手段，并得出选用 20mm 棱角碎石进行吹砟作业时效果最佳.Aursudkij8开展室内全尺寸捣固试验以及大型三轴试验，结果表明，捣入阶段相较振捣阶段，对道砟造成的破碎更大.Boler 等9采用捣固与吹砟对路桥过渡段进行维护，经长期监测后发现，采用捣固维护时，每 3 个月需要进行再次维护，而吹砟维护后，线路在使用 24 个月后几何形位仍然良好.王众保等10利用 EDEM（engineeringdiscreteelementmethod）建立道床捣固模型，得出捣固作业插镐速度最优值为 0.5m/s，插镐最优深度为 90mm.Shi等11-12基于离散多体动力学耦合建立精细化可破碎捣固模型，研究表明：捣固使轨枕底部顶层和轨枕间面层区域道床密实度分别提高了 7.6%和降低了 34.8%，并建议起道高度、捣固频率和捣固深度分别为 20mm、35Hz 和 20mm；得出捣固使轨枕间表层道砟破碎最为严重，破碎率约为 1.65%，因此，建议采用宽级配和大粒径的道砟.Liu 等13基于现场试验和数值模拟研究捣固对道床纵横向阻力的影响，得出捣固作业使道床纵向和横向阻力分别降低 17.39%和 20.34%，道床支撑刚度和阻尼分别增加 204.07%和 148.80%.井国庆等14利用离散元软件 PFC3D 建立三维道砟箱模型，将一定厚度碎石生成于轨枕底和道砟之间，模拟吹砟后的状态，结果表明，吹砟能降低轨枕-道砟接触层作用力，且与捣固相比，吹砟更具经济效益.陈成等15发明了一种吹砟装置，具有较好的适应性，可适用于条形轨枕和部分异形轨枕的吹砟作业.需要指出的是，上述研究多集中于室内道砟箱试验和现场测试，忽略了吹砟作业的动态过程，不能真实反映吹砟完成后碎石在轨枕底的分布状态，且无法可视化吹砟作业全过程，并未评估其作业过程对道床的扰动情况.此外，对于捣固与吹砟的维护效果研究也仅集中在维护完成后的道床沉降状况.基于现有研究不足，本文通过离散元法（DEM）与多体动力学（MBD）耦合的方法建立道床捣固模型；同时首次提出基于 DEM 与计算流体力学（CFD）耦合的方法建立道床吹砟模型.从宏、细观角度对捣固与吹砟全过程进行深入分析，进一步阐明捣固与吹砟的道床维护机理.通过对比 2 种维护方法下道砟颗粒的扰动、道床密实度变化、应力分布以及工后道砟沉降，为工程应用提供一定的参考.1 模型的建立选取常规、片状和针状 3 种典型道砟，长厚比分别为 10.80、10.38、10.49，通过扫描真实道砟颗粒，获得三维道砟外轮廓精确模型，采取内表面颗粒簇填充的方式建立道砟离散元模型，并考虑计算效率对其进行简化.道砟和吹填碎石的建立过程以及颗粒级配曲线如图 1 所示.研究表明，道砟箱尺寸大于道砟颗粒平均粒径的 8 倍时，产生的边界效应可以忽略不计16，本文建立的道砟颗粒模型的平均粒径不超过 45mm，道床边界最小尺寸为 450mm，符合要求.然后在道砟箱内采用落雨法堆积生成道床层，并分层压实，同时建立轨枕模型.模型中道砟等各部件参数及接触参数的选取参考李朋17的研究，如表 1 所示.第2期陈成，等：基于离散元方法的道床捣固及吹砟维护机理257(a)建立过程010203040506070020406080100过筛质量百分比/%方孔筛孔边长/mm 道砟 吹砟碎石(b)级配曲线颗粒填充简化 道砟 吹砟碎石图1道砟与吹砟碎石颗粒建模与级配曲线Fig.1Modelingandgradationcurvesofballastandcrushedstoneparticlesbystone-blowing表 1 DEM 耦合模拟的参数Tab.1ParametersofDEMcouplingsimulation模型结构 泊松比 剪切模量/GPa 密度/（kgm3）摩擦系数道砟0.302027000.55吹砟碎石0.302027000.55轨枕0.231528000.85捣固镐0.298078000.40吹砟管0.298078000.40仅通过 DEM 模拟捣固镐以及捣固镐的复杂运动较为困难，而 MBD 是研究多体系统运动规律的工具，可很好地模拟出捣固镐的物理特性和复杂运动.不少学者通过 DEM-MBD 耦合很好地实现捣固镐和轨排等多体系统与道砟离散体的相互作用11-12,17.因此，本文通过 DEM-MBD 耦合实现道床捣固的模拟.在建立好 DEM 道床模型后，参考 09-32 型捣固车捣固镐结构，通过三维软件建立两副捣固镐几何模型，如图 2 所示，并将其导入 DEM 道砟箱模型中.捣固镐的运动通过 EDEM 内置的 MBD 模块实现，建立完成的道床捣固模型如图 3（a）所示.参考王众保等10-11对捣固作业参数的研究，本文捣固模拟选取的起道高度为 30mm，捣镐下插速度为 0.5m/s，捣固镐距轨枕侧面距离为 90mm，捣入深度（捣固镐尖端与轨枕底面距离）为 90mm，捣镐振动频率为35Hz，振幅为 5mm.建立完成的道床吹砟模型如图 3（b）所示.204705607014056(a)捣固镐模型(b)吹砟管模型(c)流体域网络模型(d)吹砟示意5060图2吹砟管模型Fig.2Stone-blowingmodels捣固镐轨枕道砟吹砟管480800450225280440(a)DEM-MBD 捣固模型(b)DEM-CFD 吹砟模型图3道砟箱捣固模型和吹砟模型Fig.3Ballastboxtampingandstone-blowingmodelsDEM-CFD 模拟是一种基于欧拉-拉格朗日参考系的方法.在流固耦合研究中得到了广泛的应用，尤其在颗粒物质管道输送方面.而吹砟的原理就是通过高速气流将散体碎石吹入轨枕底部，因此，本文提出基于 DEM-CFD 耦合来实现吹砟的模拟.吹砟管几何模型参考现服役的吹砟车以及相关专利15，通过三维软件建立交叉双管模型，并将其导入 DEM道床模型中作为管道壁面.考虑现实情况，吹砟管内空腔即为流体域，通过三维软件对吹砟管体积进行抽取，并进行网格划分得到流体域网格文件，吹砟管几何及网格模型如图 2 所示，将其导入 Fluent 中，设置仿真流体为空气，入风口为速度入口，风速为20m/s，出砟口为压力出口，壁面为标准无滑移静止壁面，湍流模型为标准的 k-模型（其中：k 为涡动能258西南交通大学学报第59卷密度，为耗散密度），最后通过 udf 文件与 EDEM进行耦合计算.吹砟作业模拟过程中，起道高度为50mm，吹砟管下插速度为 0.5m/s，插入深度（吹砟管尖至轨枕底面距离）为 90mm.2 结果与讨论 2.1 捣固与吹砟动态过程细观分析2.1.1捣固与吹砟对道床扰动分析捣固模拟的 4 个阶段示意及作业过程道砟速度矢量如图 4 所示，其中灰色、绿色、红色分别代表速度由小到大，箭头代表道砟运动方向，模拟过程中道砟的运动视为道床所受的扰动.可以看出，捣固作业 4 个阶段道床均被扰动：1）起道阶段，轨枕向上提升，道床扰动较小；2）下插阶段，捣固镐向下冲击和挤压，引起部分道砟向上飞溅和向四周迁移；3）夹持振捣阶段，捣固镐向内夹持振捣，夹持范围内的道砟被挤向轨枕底部；4）撤出阶段，捣固镐上提，部分道砟被带出，造成空穴（镐窝）现象.吹砟模拟 4 个步骤示意和作业过程道砟速度矢量，如图 5 所示，可以看出，吹砟作业 4 个阶段道床扰动均较捣固小：1）起道阶段，轨枕向上提升，未对道床造成挤压和冲击，道床扰动较小；2）下插阶段，吹砟管向下挤入道床，受影响的道砟向四周运动，在 4 个阶段中扰动最大，但与捣固相比，双管对道砟的冲击范围更小，因此扰动也较捣固小；3）吹填阶段，吹砟管保持静止，因此对道床的扰动可忽略，碎石在吹砟管内高速运动，最终被吹入轨枕底部；4）撤出阶段，吹砟管上提，无道砟被带出现象，造成的空穴也较捣固小.上述可以看出吹砟与捣固维护作业相比，同样会扰动道砟颗粒，但其扰动要小于捣固作业.道床扰动会破坏道砟之间咬合和道床的稳定性，因此，在作业过程中应尽量减小对道床的扰动.为更好地对比分析捣固和吹砟对道砟的扰动情况，参考 Shi 等11的研究，选取捣固扰动较大的部位，将其划分为轨枕间不同深度的上部道砟（A0 区域）、下部道砟（A1 区域）、轨枕底部道砟（B1 区域），3 个区域尺寸均为450mm280mm150mm.平均速度变化曲线如图 6 所示，可以看到：在起道阶段，捣固与吹砟对道床扰动均较小，在下插阶段对道床扰动均较大，捣固引起的道砟扰动在 A1 区域出现峰值约为 0.26m/s，其次为 A0、B1 区域，吹砟引起的道砟扰动在 B1 区域出现峰值约为 0.1m/s，其次为 A0、A1 区域；在夹持振捣（吹填）阶段，捣固扰动在 B1 区域出现峰值约为 0.17m/s，其次为 A1、A0 区域，而吹砟在该阶段的扰动除初始残余外，可忽略不计；在撤出阶段，捣固的扰动在 A0 区域出现峰值约为 0.26m/s，其次为 A1 和 B1 区域，吹砟的扰动在 A0 区域出现峰值约为 0.06m/s，其次为 A1、B1 区域.总体而言，吹砟引起的扰动要远小于捣固，全过程中颗粒运动的峰值仅为捣固的约 37.5%.00.10.20.30.40.5速度/(ms1)起道,0.05 s 下插,0.35 s 夹持,1.20 s(a)捣固各步骤颗粒速度矢量图(颗粒)撤出,1.90 s 起道,0.05 s 下插,0.35 s 夹持,1.20 s(b)捣固各步骤颗粒速度矢量图(箭头)撤出,1.90 s图4捣固模拟全过程Fig.4Simulationofwholetampingprocess第2期陈成，等：基于离散元方法的道床捣固及吹砟维护机理25900.10.20.30.40.5速度/(ms1)(a)吹砟各步骤颗粒速度矢量图(颗粒)起道,0.05 s 下插,0.35 s小碎石高速气流 吹填,1.20 s 撤出,1.90 s(b)吹砟各步骤颗粒速度矢量图(箭头)起道,0.05 s 下插,0.35 s 吹填,1.20 s 撤出,1.90 s图5吹砟模拟全过程Fig.5Simulationofwholestone-blowingprocess00.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.000.10.20.3道砟平均速度/(ms1)时间/s捣固 A0捣固 A1捣固 B1吹砟 A0吹砟 A1吹砟 B1起道下插夹持(吹填)撤出图6捣固与吹砟全过程中道砟平均速度变化曲线Fig.6Variationcurvesofballastaveragevelocityduringtampingandstone-blowingoperations2.1.2捣固与吹砟对道砟接触力影响分析研究表明8,12，捣固镐在下插阶段相比夹持振捣阶段对道砟的冲击更大，造成的破碎量更多.尽管不难推断吹砟作业过程对道砟的冲击较捣固小，但尚无研究对其进行定量的比较分析.维护过程中道砟的平均接触力可以一定程度上反映道砟所受到的冲击情况.道床捣固与吹砟模拟过程中道砟颗粒平均接触力变化曲线如图 7（a）所示，可以看到，两者在下插阶段，道砟平均接触力远大于其他 3 个阶段，这很好地解释了捣固作业对道砟的破碎主要集中在下插阶段.同样可以推断，吹砟作业对道砟的破碎也应集中在下插阶段.其中捣固模拟过程中道砟平均接触力峰值约为 637.0N，而吹砟作业约为 248.0N.此外在捣固的夹持振捣阶段和撤出阶段，道砟平均接触力有小幅度的波动，其峰值分别约为 57.3N 和96.4N.吹砟作业的其余 3 个阶段道砟平均接触力均较微小，总的来说吹砟各阶段道砟平均接触力较捣固小，全过程中平均应力峰值仅为捣固的约38.9%.从图 7（b）中力链分布状况也可看到这一趋势：两者在起道阶段道砟间接触力较小，力链分布不明显；下插阶段，在捣固镐与吹砟管的冲击挤压作用下，尖端出现较大应力集中，并以一定的角度向下扩散；夹持振捣（吹填）阶段，捣固镐挤压道砟，力链从镐掌面向四周扩散，呈菱形分布，而此阶段吹砟管保持静止；撤出阶段，两者对道砟的影响较小，轨枕底部力链分布较为稀弱.2.1.3捣固与吹砟对道床密实度影响分析不少学者研究了捣固作业对道床密实度的影响11,18，而吹砟作业对道床密实度的影响尚不明确.260西南交通大学学报第59卷为对比分析捣固及吹砟对道床密实度的影响，同样将道床划分为与上述一致的 3 个区域.密实度变化率如图 8 所示.由图可知：在捣固作业的起道阶段，道床各区域密实度几乎无变化；下插阶段，轨枕间道砟 A0、A1 区域密实度波动较大，均下降了约 2.0%，而轨枕底部道砟 B1 区域密实度有明显的上升，约7.2%；夹持振捣阶段，由于捣固镐的夹持振捣作用，3 个区域变化趋势也较为明显，A0 区域密实度呈线性下降，降低了约 10.8%，而 A1、B1 区域密实度有所上升，分别约 2.9%和 6.3%；撤出阶段 A0 区域密实度急剧下降，可能原因是捣固镐撤出，将部分道砟颗粒带出，造成道床出现空穴（镐窝），同时 A1、B1区域密实度均有一定幅度上升.从捣固全过程来看，A0 区域密实度下降严重，较初始状态下降了约 21%，A1、B1 区域密实度则有所上升，较初始状态分别上升了约 4.8%和 13.6%.00.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.00100200300400500600700颗粒平均接触力/N时间/s 捣固 吹砟夹持(吹填)撤出起道下插(a)捣固与吹砟各步骤道砟平均接触力变化曲线(b)捣固与吹砟各步骤道砟接触力链分布起道(0.05 s)下插(0.35 s)夹持(1.20 s)撤出(1.90 s)起道(0.05 s)下插(0.35 s)夹持(1.20 s)撤出(1.90 s)捣固 吹砟图7捣固与吹砟各步骤道砟接触力状况Fig.7Ballastcontactforceineachstageoftampingandstone-blowing在吹砟作业的起道阶段，各区域道床密实度变化均不明显；下插阶段，轨枕间道砟 A0、A1 区域的密实度有所下降，分别约 1.9%和 0.6%，而轨枕底部道砟 B1 区域密实度上升了约 3.1%；吹填阶段，由于吹砟管相对保持静止，3 个区域密实度变化较小，从吹砟管溢出的碎石掉入道砟之间的空隙中，小幅度地提高了该区域的密实度；撤出阶段，A1、B1区域密实度变化有微小上升，而 A0 区域密实度下降了约1.1%.相较而言，吹砟作业完毕后也会造成空穴现象，但与捣固相比该现象更轻微.通过吹砟全过程模拟可发现，吹砟作业后轨枕底部区域密实度提高了约 6.5%，轨枕间上部和下部区域密实度几乎无变化.00.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.02015105051015密实度变化率/%时间/s捣固 A0捣固 A1捣固 B1吹砟 A0吹砟 A1吹砟 B1下插夹持(吹填)撤出起道图8捣固与吹砟全过程道床密实度变化曲线Fig.8Compactioncurvesofballastduringwholetampingandstone-blowingprocesses总的来说捣固对道床密实度的影响更大，尽管捣固提升了轨枕底部 B1 区域的密实度，轨枕间A1 区域的密实度也有所增加，但轨枕间 A0 区域的密实度有较大的降低.而吹砟作业对道床密实度的影响相对较小，吹砟作业同样地提高了 B1 区域的密实度，同时也降低了 A0 区域的密实度，但均较捣固变化幅值小，对 A1 区域密实度的影响比较轻微.2.2 捣固与吹砟作业后的道床沉降及细观分析捣固与吹砟维护的目的都是为了恢复道床的几何形位和道床质量，现有研究6-7,14均表明吹砟维护道床质量和经济效益更好，但其维护机理有待深入研究.为从细观上阐明捣固与吹砟的维护机理，通过模拟列车荷载对道床力学性能进行分析.参考 Chen等19的研究，对轨枕施加正弦循环荷载进行模拟，施加荷载的峰值应力为 533kPa，最小应力为 45kPa，频率为 10Hz，模拟对应列车速度约为 100km/h，车辆轴重为 16t.加载 1000 次循环荷载后轨枕沉降曲线如图 9 所示.可以看出：在前 200 次循环荷载作用下，未维护、捣固和吹砟 3 种工况轨枕沉降均较为明显，尤其在前 100 次时轨枕沉降迅速，沉降量达到1.5mm 后沉降趋势逐渐减缓，吹砟后的轨枕沉降减缓趋势最明显，最终沉降量为 3.99mm，在三者中最第2期陈成，等：基于离散元方法的道床捣固及吹砟维护机理261小；捣固后的轨枕沉降量为 4.71mm；未维护的道床沉降量最大，其值为 5.77mm；吹砟作业后的轨枕沉降相较于捣固和未维护工况分别减少了约 18.1%和 44.4%.该模拟结果也进一步验证了吹砟维护效果较捣固维护更佳，与 Sol-Snchez 等6的结论一致.捣固作业通过夹持振捣作用提高轨枕底局部区域道砟密实度，而吹砟作业在轨枕底吹入粒径更小的碎石来垫高轨枕，因此，两者轨枕底接触状态与应力传递机制并不一致.循环荷载下颗粒与轨枕接触点分布与数量变化曲线如图 10 所示.可以看出：捣固作业后轨枕底部接触点疏密有所减小，出现应力集中现象，且接触数量均较未维护状态下减少了约 24.6%.这是由于捣固镐下插和振捣过程造成枕间道床出现空穴（镐窝），因此，轨枕侧面与道砟的接触点减少，在实际工程中通常采取镐窝回填措施来弥补.而吹砟维护后的轨枕底接触点数增加十分明显，除边缘个别接触点出现应力集中，其余接触点接触力均较小，接触点数较未维护状态下增加了约 243%.轨枕与道砟的接触数量和接触力的改变会进一步影响道床力链的分布.循环荷载峰值时的道床力链分布情况如图 11 所示.可以看出：与未维护道床相比，捣固后轨枕下应力扩散角减小，应力链更集中，可能原因是捣固作业提高了夹持区域的密实度，使得这部分道砟咬合更为紧密；而对下插区域道砟扰动较大，破坏了初始的接触及咬合状态，因而上部荷载倾向于沿着咬合更紧密的道砟区域传递，不平衡现象会随着列车荷载逐渐消散，道床重新产生沉降，这也是导致捣固维护“记忆效应”的原因之一.现实中通常对捣固后的线路进行动力稳定作业，使道床迅速达到平衡状态.0200400600800100076543210轨枕沉降量/mm加载次数/次 未维护 捣固后 吹砟后图9轨枕加载沉降曲线Fig.9Loadingsettlementcurvesofsleeper0123456789100100200300400500600700800900轨枕接触点数/个循环荷载次数/次 未维护捣固吹砟图10轨枕接触点数变化曲线Fig.10Changecurvesofnumberofsleepercontactpoints0100200300400500法向力/N(a)未维护(b)捣固作业后(c)吹砟作业后图11道砟接触应力链分布对比Fig.11Comparisonofcontactforcedistributioninballast吹砟维护后，道床应力扩散角明显增大，吹砟区域的颗粒接触力链更为密集且细弱.进一步阐明了吹砟维护机理：吹砟后，由于吹入轨枕底下的碎石粒径更小，相同体积下颗粒数量较道砟更多，因此与轨枕底的接触数大大增加，同样地也增加了与周围道砟的接触数，极大地改善了吹砟区域的接触状态，进262西南交通大学学报第59卷而改善了轨枕下道床的应力分布状态，减小了轨枕底的应力集中，使上部荷载传递更均匀.3 结论通过DEM-CFD耦合的方法，实现了吹砟作业全过程的可视化模拟，模拟了道床捣固作业全过程，从细观上对比 2 种维护措施对道床接触状态和密实度等参数的影响以及工后道床沉降，主要得出以下结论：1）捣固全过程中道砟的扰动程度均远大于吹砟作业，其中下插阶段轨枕间下部道砟颗粒扰动最大，夹持振捣阶段轨枕底部道砟颗粒扰动最大，撤出阶段轨枕间上部道砟扰动最大；吹砟作业仅在下插阶段对道砟层有较大扰动，撤回阶段有较小扰动，其余阶段扰动可忽略不计，且吹砟全过程中道砟速度峰值仅约为捣固的 37.5%.2）捣固作业在下插阶段道砟颗粒间平均接触力最大，在夹持振捣阶段和撤出阶段较小，起道阶段忽略不计；类似地，吹砟作业在下插阶段道砟颗粒间平均接触力最大，但其峰值小于捣固作业，仅约为捣固作业的 38.9%，其余步骤道砟平均接触力均较小，与未维护的道床相近.3）捣固后，轨枕底部区域密实度提高了约13.6%，轨枕间上部和下部区域密实度分别降低了约 21%和提高了约 4.8%；吹砟后，轨枕底部区域密实度提高了约 6.5%，轨枕间上部和下部区域密实度几乎无变化.4）捣固后，轨枕底部与道砟的接触数目减少了约 24.6%，应力集中现象加剧；吹砟维护后轨枕底与碎石的接触数目增加了约 243%，极大地改善了道床应力分布，荷载传递更均匀；1000 次循环加载后，吹砟作业后的轨枕沉降相较于捣固和未维护工况分别减少了约 18.1%和 44.4%，具有更好的维护效果.由于道砟箱尺寸的影响，本模拟未能全局地评估捣固与吹砟对道床的影响，后续将建立全尺寸道床模型，并对比 2 种维护方法对道砟劣化的影响.参考文献：翟婉明，赵春发.现代轨道交通工程科技前沿与挑战J.西南交通大学学报，2016，51（2）：209-226.ZHAIWanming,ZHAOChunfa.Frontiersandchall-engesofsciencesandtechnologiesinmodernrailwayengineeringJ.JournalofSouthwestJiaotongUniversity，2016，51(2)：209-226.1GUO Y L,MARKINE V L,JING G Q.Review ofballast track tamping:mechanism,challenges andsolutionsJ.Construction and Building 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