高 亮，徐 旸，楊國濤,3，殷 浩，石順偉

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司 科技和信息化部， 北京 100844)

散體道床在列車荷載的長期反復(fù)作用下，力學(xué)性能逐漸降低，發(fā)生道床劣化現(xiàn)象。同時，服役階段復(fù)雜自然環(huán)境也會加重道床劣化病害。道床劣化是引起軌道不平順的關(guān)鍵因素之一，會顯著降低列車運(yùn)行的安全性與平穩(wěn)性，影響鐵路的正常運(yùn)營，增加養(yǎng)護(hù)維修工作量。運(yùn)營數(shù)據(jù)顯示，由道床劣化引起的鐵路線路養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，占我國有砟軌道線路養(yǎng)護(hù)支出的90%以上。

隨著列車運(yùn)行速度的逐步提高，客貨運(yùn)量的不斷增大，列車荷載對軌道的沖擊作用顯著加強(qiáng)，道床劣化現(xiàn)象隨之加劇。明確散體道床的劣化機(jī)理，開展更為科學(xué)的設(shè)計、運(yùn)營及養(yǎng)護(hù)維修工作，在保障列車安全、平穩(wěn)運(yùn)行的前提下，延長道床使用壽命，是鐵路有砟軌道亟待解決的關(guān)鍵問題。然而，有砟道床由散粒體道砟堆積密實而成，道砟與道砟之間、道砟與上下部結(jié)構(gòu)之間的接觸狀態(tài)和傳力機(jī)制十分復(fù)雜。同時，列車荷載的長期反復(fù)作用，以及復(fù)雜自然環(huán)境導(dǎo)致的線路條件差異，對有砟道床劣化機(jī)理及延緩劣化措施研究造成了一定困難，國內(nèi)外學(xué)者對此問題開展了大量探索和研究。

本文重點(diǎn)針對有砟道床劣化機(jī)理、有砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計影響因素及延緩劣化措施三個方面，對既有相關(guān)研究成果進(jìn)行總結(jié)分析，針對既有研究存在的不足，提出今后研究工作需重點(diǎn)關(guān)注的問題，以期為有砟軌道劣化機(jī)理及防治措施研究提供理論參考。

1 鐵路有砟道床劣化機(jī)理

1.1 道砟顆粒劣化機(jī)理

在外荷載作用下，道砟顆粒易發(fā)生破碎及磨耗，致使顆粒間咬合力下降，導(dǎo)致道床力學(xué)性能降低。從道砟顆粒劣化角度出發(fā)，針對道砟顆粒破碎和磨耗兩種顆粒劣化特有形式，總結(jié)分析相關(guān)研究現(xiàn)狀，提出進(jìn)一步研究方向。

1.1.1 道砟破碎

列車運(yùn)行時，散體道砟在軌排的沖擊、相鄰顆粒的擠壓作用下，易發(fā)生破碎，致使道砟級配改變，有砟道床力學(xué)質(zhì)量降低。針對道砟破碎機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者通過道砟顆粒單軸壓碎及道砟集料三軸壓力室內(nèi)試驗及數(shù)值仿真進(jìn)行了一系列的研究工作。

單軸壓碎室內(nèi)試驗中，通過對單個道砟施加軸向壓力，使道砟以一定速率發(fā)生軸向變形直至破碎[1]。Ergenzinger等[2]利用該方法研究了不同形狀道砟的破碎特征。嚴(yán)穎等[3]研究了道砟破碎等效強(qiáng)度和道砟粒徑之間的關(guān)系。單軸壓碎室內(nèi)試驗?zāi)軌蛑庇^地反映道砟破碎宏觀演變過程，但對顆粒內(nèi)部細(xì)觀劣變機(jī)制及受力行為的表征存在不足。相比之下，采用離散單元法不僅能夠真實反映道砟破碎過程中顆粒內(nèi)部應(yīng)力-應(yīng)變等細(xì)觀特征，還具備初始變量可控、研究成本低等優(yōu)點(diǎn)。建立道砟顆粒精細(xì)化模型是保證離散元仿真準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。Irazbal等[4]采用離散單元法建立了球形道砟顆粒模型，并利用顆粒間的滾動摩擦系數(shù)表征道砟顆粒的不規(guī)則輪廓。Chen等[5]利用對離散元球體單元的重疊建立了clump顆粒，以此實現(xiàn)對道砟復(fù)雜外形的精確模擬。Ngo等[6]將離散元球體單元相互黏結(jié)，以此建立了可破碎的cluster道砟模型，該模型能夠同時表征道砟顆粒不規(guī)則輪廓和強(qiáng)度。在實現(xiàn)道砟顆粒精細(xì)化模擬的基礎(chǔ)上，張徐等[7]、張振超等[8]利用單軸壓碎離散元數(shù)值仿真模擬試驗，結(jié)合Weibull分析方法研究了加載位置對道砟破碎的影響規(guī)律。綜合而言，單軸壓碎試驗主要是針對道砟顆粒的破碎力學(xué)特性進(jìn)行研究，可為高強(qiáng)度道砟顆粒的選型提供一定參考，但與真實有砟線路上的道砟顆粒受力狀態(tài)存在差異。

道砟集料三軸壓力試驗通過對道砟集料施加軸壓和圍壓，能夠更為真實的模擬散體道床的受力特征[9]。Aursudkij等[10]利用大型動三軸試驗儀，研究了不同圍壓條件下，道砟集料變形特征以及道砟破碎規(guī)律，提出在有砟軌道建設(shè)中，建立散體道床圍壓驗收標(biāo)準(zhǔn)，以保證道床質(zhì)量。Indraratna等[11]研究了不同臟污及圍壓條件下道砟顆粒破碎狀況，揭示了道床臟污及力學(xué)性能的非線性演變規(guī)律，并進(jìn)一步地結(jié)合離散元法和有限差分法研究了三軸壓力試驗中道砟顆粒內(nèi)部應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及顆粒間接觸關(guān)系等細(xì)觀特征[12]。Lu等[13]基于離散單元法建立了三軸試驗數(shù)值仿真模型，研究了循環(huán)荷載條件下道砟破碎與散體集料沉降之間的關(guān)系。殷志祥等[14]基于三軸室內(nèi)試驗結(jié)果，結(jié)合土體邊界面塑性理論和破碎分形方法，提出可以較好反映道砟受力特征的本構(gòu)模型，實現(xiàn)了低圍壓條件下，對道砟顆粒破碎引起道砟集料級配改變的準(zhǔn)確預(yù)測。

綜合以上分析可知，國內(nèi)外學(xué)者利用道砟顆粒單軸壓碎試驗和道砟集料三軸壓力試驗，揭示了道砟在軸向壓力及圍壓條件下的破碎機(jī)理。結(jié)果表明，道砟的材質(zhì)、干濕程度及圍壓大小對道砟破碎具有較大影響，在有砟線路上應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

1.1.2 道砟磨耗

道砟顆粒在列車循環(huán)荷載作用下會發(fā)生相互擠壓和錯動，導(dǎo)致顆粒間的棱角產(chǎn)生摩擦，引起棱角處局部應(yīng)力集中和破碎，最終導(dǎo)致道砟顆粒的磨耗，進(jìn)而降低顆粒間的咬合力，且粉化顆粒在道砟間起到“潤滑”的作用，導(dǎo)致道床力學(xué)性能進(jìn)一步降低。國內(nèi)外學(xué)者主要通過洛杉磯磨耗試驗及狄法爾磨耗試驗對道砟磨耗機(jī)制進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上深入探究道砟磨耗對道床力學(xué)性能的影響規(guī)律。

洛杉磯磨耗試驗對道砟及鋼球進(jìn)行旋轉(zhuǎn)混合磨耗，通過磨耗質(zhì)量比指標(biāo)來表征道砟耐磨性能[15]。Qian等[16]、Guo等[17]采用圖像分析法量化道砟尺寸及形狀特征，以判斷道砟在試驗過程中的磨耗程度，在此基礎(chǔ)上研究了道砟磨耗與集料臟污之間的關(guān)系。Boler等[18]、Okonta等[19]利用洛杉磯磨耗試驗研究了道砟顆粒材質(zhì)、形狀以及尺寸對磨耗程度的影響規(guī)律，結(jié)果表明，洛杉磯磨耗率、顆粒尺寸系數(shù)及圓球度間具有顯著的相關(guān)性，提出基于道砟耐磨性能的道床穩(wěn)定性統(tǒng)計學(xué)模型。Ramunas等[20]利用洛杉磯磨耗率判斷道砟韌性及硬度，在此基礎(chǔ)上評估預(yù)測有砟道床承載能力及使用壽命。徐旸等[21]基于離散單元法建立了洛杉磯磨耗精細(xì)化數(shù)值仿真模型，研究了不同形狀道砟的劣化演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)相比于片狀道砟，針狀道砟的耐磨性能較差。

狄法爾磨耗試驗在試驗方法上和洛杉磯磨耗試驗相近，主要區(qū)別在于試驗樣本級配、磨耗鋼球、篩余量不同。除此之外，狄法爾磨耗試驗更加適用于潮濕環(huán)境下道砟耐磨性能的測試。Erichsen等[22]通過狄法爾室內(nèi)試驗研究了濕顆粒磨耗對集料整體劣化的影響規(guī)律。Hasheminezhad等[23]通過狄法爾試驗發(fā)現(xiàn)鋼渣具有良好的耐磨性能，因此提出在有砟線路上使用鋼渣替換道砟的建議，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)廢物利用，保護(hù)環(huán)境。吳將豐[24]結(jié)合狄法爾磨耗室內(nèi)試驗及數(shù)值仿真模擬，從多尺度對集料耐磨性能展開研究，發(fā)現(xiàn)狄法爾磨耗值隨磨耗次數(shù)增加呈幾何級數(shù)變大趨勢。

基于已有道砟磨耗機(jī)制，國內(nèi)外學(xué)者通過數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗相結(jié)合的方法，開展了道砟磨耗對道床力學(xué)性能影響的深入探究。Rohrman等[25]研究發(fā)現(xiàn)，道砟發(fā)生磨耗后顆粒的棱角逐步變得圓滑，使得道砟顆粒間的咬合力顯著下降，導(dǎo)致在列車荷載作用下道砟集料沉降增大。Kolos等[26]研究發(fā)現(xiàn)，道砟顆粒發(fā)生磨耗會明顯降低道砟集料的強(qiáng)度，混合使用70%的再生砟及30%的新砟能夠滿足道床力學(xué)質(zhì)量求。

綜合而言，道砟磨耗和顆粒形狀、尺寸、材質(zhì)具有極大的相關(guān)性，在有砟線路上為保證道床穩(wěn)定性，延長道床使用壽命，應(yīng)對道砟選型進(jìn)行重點(diǎn)控制。

1.1.3 研究展望

基于國內(nèi)外既有研究工作，針對鐵路道砟顆粒劣化問題，可在以下幾方面開展研究：

(1)道砟破碎演化行為的真實模擬。在有砟軌道線路上，道砟破碎主要由軌枕及相鄰顆粒的擠壓作用引起，搗固作業(yè)的沖擊作用也會引發(fā)大量的道砟顆粒發(fā)生破碎。單軸及三軸壓碎試驗?zāi)軌蛴行Ы沂镜理念w粒破碎力學(xué)特征，但不能真實反映有砟線路上道砟破碎力學(xué)行為。考慮室內(nèi)試驗設(shè)備及成本限制，建議結(jié)合現(xiàn)場試驗及數(shù)值仿真模擬，對真實受力條件下道砟顆粒的破碎行為展開研究，進(jìn)一步揭示實際線路上道砟顆粒破碎機(jī)理。

(2)多手段、多指標(biāo)道砟磨耗行為室內(nèi)試驗研究。各國的道砟標(biāo)準(zhǔn)中廣泛應(yīng)用洛杉磯磨耗試驗對道砟的耐磨性能進(jìn)行評估。真實情況中，道砟顆粒的磨耗行為是在當(dāng)散體道砟顆粒在沉降穩(wěn)定，且相對位置固定的條件下，道砟顆粒主要承力接觸點(diǎn)的局部區(qū)域往復(fù)摩擦所形成的粉化。洛杉磯磨耗試驗中道砟顆粒所發(fā)生的磨耗，多是由于道砟在剛性滾筒翻滾過程中的跌落，以及鋼球拍砸所形成的沖擊引起，與真實情況中道砟的磨耗粉化行為相比，具有較大區(qū)別。因此，應(yīng)采用洛杉磯磨耗試驗、干磨試驗等多手段的試驗研究方法對道砟磨耗機(jī)理進(jìn)行研究。

(3)基于劣化后道床級配曲線的道床力學(xué)性能評估方法。從工程應(yīng)用角度來說，道砟顆粒的破碎、粉化是貫穿于有砟軌道全壽命周期中的，道砟顆粒劣化最終以道砟級配的形式表現(xiàn)出來。同時，道砟級配的改變會使道床的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著的變化。因此，基于道砟破碎及粉化的道床服役狀態(tài)評估方法，對實現(xiàn)科學(xué)養(yǎng)護(hù)維修具有重要意義。此外，不同線路的荷載情況往往具有較大差異，目前特級、一級級配未能考慮不同線路情況下的荷載差異。因此，在揭示道砟破碎、粉化機(jī)理及影響規(guī)律之后，針對不同線路的運(yùn)營狀況，提出更具針對性的級配曲線具有重要的工程價值。

1.2 散體道床劣化機(jī)理

在列車荷載及復(fù)雜外部環(huán)境的耦合作用下，散體道床易發(fā)生沉降及臟污兩種主要劣化現(xiàn)象，致使有砟線路的服役性能降低。本節(jié)針對道床沉降及臟污，總結(jié)分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出進(jìn)一步的研究方向。

1.2.1 道床沉降

在有砟軌道服役過程中，道砟顆粒會發(fā)生擠壓和錯動，以及破碎和磨耗，產(chǎn)生道床沉降，進(jìn)而導(dǎo)致線路平順性降低。針對道床沉降機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者通過試驗及數(shù)值仿真的手段開展了一系列的研究工作。

試驗研究主要包括現(xiàn)場試驗及室內(nèi)試驗。循環(huán)使用的道砟棱角磨耗較為嚴(yán)重，顆粒間的咬合力較差，Indraratna等[27]通過現(xiàn)場試驗研究了循環(huán)利用的道砟力學(xué)特性，對比分析了散體道床的沉降變化規(guī)律。相比于現(xiàn)場試驗，室內(nèi)試驗?zāi)軌虼蟠蠊?jié)省成本，Mcdowell等[28]通過道砟箱室內(nèi)試驗，研究4種道砟在循環(huán)荷載下的沉降變形規(guī)律，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)道砟箱試驗?zāi)軌蛴行Х从超F(xiàn)場有砟道床的真實力學(xué)行為。

圖1 道床沉降試驗道砟箱

有砟道床是承受列車荷載的主體結(jié)構(gòu)，鋼軌承受的動力作用經(jīng)軌枕傳遞至道床，并在其內(nèi)部一定范圍內(nèi)擴(kuò)散，細(xì)觀上引起道砟顆粒的流動，宏觀上則表征為道床整體的沉降。由于有砟道床具有散粒體特性，目前離散單元法是探究道床沉降機(jī)理的主流方法。Kumar等[29]基于離散單元法建立了有砟道床數(shù)值仿真模型，研究了在列車荷載作用下道砟顆粒接觸力的傳遞規(guī)律，發(fā)現(xiàn)接觸力鏈在枕下以45°擴(kuò)散。Shi等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在道砟顆粒間的接觸力自上而下傳遞過程中逐漸衰減，其中，軌枕底部道砟接觸力相對集中，道床底部道砟接觸力較小，道砟顆粒在接觸力的作用下發(fā)生流動。Liu等[31]在室內(nèi)試驗中利用智能道砟捕獲單個道砟顆粒的運(yùn)動特征，以此分析有砟道床不同區(qū)域道砟的流動規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，在外荷載作用下道砟顆粒同時發(fā)生垂向和橫向位移，引起道床垂向沉降及橫向流變。道床沉降直接影響線路平順性，對行車安全造成嚴(yán)重威脅。Qian等[32]建立了有砟道床模型，研究了道砟材質(zhì)、形狀以及級配對道床整體沉降變形的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出了一種可有效減小橋上道床沉降的新型道砟材料。高亮等[33]建立了圖2所示道床-路基耦合模型，研究了高速列車荷載條件下，道床細(xì)觀受力特征及彈塑性變形規(guī)律，結(jié)果表明，道砟和基床表層材料會相互入侵，道床沉降相對于軌道整體沉降占比為83.9%～86.8%。Varandas等[34]、Nielsen等[35]建立了車輛-軌道-路基耦合動力學(xué)模型，分析了列車荷載作用下空間不同結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，實現(xiàn)了對軌道沉降的有效預(yù)測。

圖2 道床-路基耦合模型

綜合以上分析可知，國內(nèi)外學(xué)者采用現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗以及仿真模擬的方式，揭示了列車循環(huán)荷載作用下散體道床的受力及沉降特征，提出了道床沉降預(yù)測方法，為有砟軌道的養(yǎng)護(hù)維修工作提供了科學(xué)的理論依據(jù)。

1.2.2 道床臟污

列車通過時，道床內(nèi)部道砟顆粒間的擠壓錯動會導(dǎo)致磨耗破碎，生成的粉末狀細(xì)小顆粒存留在道床內(nèi)部，產(chǎn)生道床臟污，文獻(xiàn)[36]研究表明，由于上述因素導(dǎo)致的道床臟污占總臟污的70%。此外，外部粉塵及下部路基材料的入侵，也會加重道床臟污。道床臟污會導(dǎo)致道床穩(wěn)定性降低，排水性能下降，在雨水作用下容易引發(fā)道床板結(jié)及翻漿冒泥等病害。因此，探明道床臟污機(jī)理是保證軌道結(jié)構(gòu)高平順性及高穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

道床臟污準(zhǔn)確的量化方法及有效的檢測手段是探究臟污機(jī)理的基礎(chǔ)。Selig等[36]最早利用粒徑小于4.750、0.075 mm的細(xì)小顆粒質(zhì)量比作為表征臟污程度的指標(biāo)FI，該指標(biāo)能夠有效反映臟污材料含量，但不能考慮臟污對道床排水性能的影響。Feldman等[37]將粒徑小于9.5 mm的顆粒視為臟污材料，以其相對于道床空隙的體積比作為評價道床臟污程度的指標(biāo)PVC，該指標(biāo)從空間角度反映了臟污材料對道床空隙的堵塞效果，在一定程度上反映了道床排水性能的衰減。然而臟污顆粒的材質(zhì)對道床力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響，而FI及PVC均不能有效體現(xiàn)。Indraratna等[38]在兩者的基礎(chǔ)上考慮了臟污顆粒的孔隙率及干密度，提出了較為全面的評估指標(biāo)VCI。在檢測手段方面，Al-Qadi等[39]基于時頻分析方法開發(fā)雷達(dá)檢測GPR技術(shù)，可對道床臟污程度、含水率進(jìn)行有效檢測。同時Anbazhagan等[40]、Fontul等[41]利用該技術(shù)對有砟道床的臟污類型及臟污方法進(jìn)行了有效識別。

基于上述道床臟污評價指標(biāo)及檢測方法，國內(nèi)外學(xué)者利用試驗及仿真模擬，對道床臟污機(jī)理展開了一系列的研究。Huang等[42]通過道砟箱剪切室內(nèi)試驗對比分析了粉煤灰、黏塑性土、礦物填料對道床抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)粉煤灰對道床的劣化影響最明顯，當(dāng)粉煤灰臟污率到過15%時，道床抗剪強(qiáng)度顯著降低，且道床含水會加快力學(xué)性能的衰減速率。TolouKian等[43]通過道砟箱室內(nèi)直剪試驗，研究了不同含沙量條件下有砟道床力學(xué)性能的變化規(guī)律，為有砟軌道的清篩作業(yè)決策提供有效的理論依據(jù)。Wang等[44]利用X射線捕獲道砟顆粒與臟污粉末顆粒間的接觸姿態(tài)，以此分析了顆粒間接觸的力學(xué)機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上研究了道床臟污率對道床力學(xué)性能的影響規(guī)律，并提出了合理的臟污率控制標(biāo)準(zhǔn)。Parsons等[45]研究發(fā)現(xiàn)道床臟污率與道床阻力、排水性能之間存在顯著的負(fù)相關(guān)性。Huang等[46]在室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，利用離散單元法進(jìn)一步研究了粉煤灰臟污對有砟道床強(qiáng)度及穩(wěn)定性的影響規(guī)律，建立了圖3所示剪切離散元模型。徐旸等[47]通過離散元數(shù)值仿真模擬研究發(fā)現(xiàn)，小粒徑顆粒臟污會對道床抗剪性能產(chǎn)生極大影響。

圖3 剪切離散元模型(單位：m)

綜合而言，經(jīng)國內(nèi)外學(xué)者的不斷改進(jìn)，形成了較為完善合理的道床臟污評價指標(biāo)及檢測方法。在此基礎(chǔ)上，揭示了散體道床臟污機(jī)理及道床力學(xué)性能衰減規(guī)律，為有砟軌道清篩方案的制定提供了有力的理論支撐。

1.2.3 研究展望

基于國內(nèi)外既有研究工作，針對散體道床劣化機(jī)理，可在以下幾個方面開展研究：

(1)散體道床累積變形機(jī)理及軌面不平順映射關(guān)系研究。道床在外荷載作業(yè)下會發(fā)生沉降變形，累積變形最終以軌面不平順的形式反映出來，并影響列車運(yùn)行安全。既有研究大多針對道床本身的變形特性，尚未充分考慮道床累積變形與軌面不平順發(fā)展之間的映射關(guān)系。因此，道床物理、力學(xué)狀態(tài)與軌道幾何狀態(tài)之間的變形傳遞規(guī)律及作用機(jī)理，也是今后研究中有待深入探討的問題。

(2)基于道床劣化機(jī)理的道床物理、力學(xué)狀態(tài)的評估方法。就道床狀態(tài)的合理評估而言，單一的動靜態(tài)指標(biāo)無法評估散體道床劣化特性，甚至多個散體道床的動靜態(tài)指標(biāo)仍無法對道床劣化進(jìn)行準(zhǔn)確評估。道床力學(xué)狀態(tài)變化規(guī)律往往由道床的級配、密實度等物理狀態(tài)決定，因此僅從道床的力學(xué)特性這一狀態(tài)參量出發(fā)，難以準(zhǔn)確把握道床狀態(tài)劣化的演變規(guī)律。今后的研究工作應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注不同服役階段道床力學(xué)狀態(tài)與物理狀態(tài)的關(guān)聯(lián)性，在揭示不同運(yùn)營條件下散體道床力學(xué)狀態(tài)與物理狀態(tài)發(fā)展規(guī)律的基礎(chǔ)上，選擇典型的表征參數(shù)、指標(biāo)及控制標(biāo)準(zhǔn)，從而為實現(xiàn)道床狀態(tài)的科學(xué)養(yǎng)護(hù)維修奠定理論基礎(chǔ)。

(3)道床劣化發(fā)展規(guī)律及預(yù)測。磨耗、臟污、沉降等劣化現(xiàn)象最終會對有砟道床的服役狀態(tài)造成影響，而既有劣化預(yù)測模型多數(shù)只關(guān)注道床沉降，應(yīng)進(jìn)一步開展基于道床臟污、顆粒破碎程度等道砟劣化引發(fā)的道床力學(xué)性能退化和道床幾何狀態(tài)劣化的耦合分析，從多指標(biāo)、多因素角度提出道床狀態(tài)劣化模型，以期指導(dǎo)道床養(yǎng)護(hù)維修及輔助決策。

2 有砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計影響因素及參數(shù)優(yōu)化

2.1 有砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計主要影響因素2.1.1 荷載條件

鐵路行業(yè)的飛速發(fā)展，列車運(yùn)行速度及運(yùn)量的不斷提高，對有砟道床的沖擊作用不斷加強(qiáng)，道床劣化速率不斷加快，威脅行車安全。因此，探明不同荷載形式下道床劣化特征是保證軌道結(jié)構(gòu)良好服役性能，為鐵路行業(yè)發(fā)展提供重要基礎(chǔ)保障的關(guān)鍵所在。對此，國內(nèi)外學(xué)者通過室內(nèi)試驗及數(shù)值仿真展開了一系列研究工作。

室內(nèi)試驗方面，通過伺服裝置可對道砟箱及三軸試驗的荷載形式進(jìn)行有效控制。Anderson等[48]通過室內(nèi)動三軸試驗對比研究了道砟集料在不同荷載作用形式下的差異性，結(jié)果表明相對于單調(diào)荷載，道砟在循環(huán)荷載作用下更易發(fā)生破碎劣化。為滿足高速鐵路提速及重載鐵路運(yùn)量不斷增加的重大需求，Indraratna等[49]、Al-Saoudi等[50]分別利用道砟箱及三軸試驗，研究了列車運(yùn)行速度及軸重對道床累積變形的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)道床沉降會隨著荷載作用頻率及幅值的增加而顯著增長。Lackenby等[51]研究發(fā)現(xiàn)荷載頻率是道砟破碎的重要影響因素之一，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注線路在提速改造中的道砟顆粒質(zhì)量狀態(tài)。

國內(nèi)外學(xué)者通過室內(nèi)試驗，在一定程度上揭示了不同荷載形式下道床劣化規(guī)律，但受試驗條件限制，室內(nèi)試驗難以對多種復(fù)雜工況進(jìn)行模擬。例如，部分油壓伺服裝置加載頻率不能超過5 Hz，無法對高速列車荷載進(jìn)行真實模擬，且室內(nèi)試驗成本相對較高。數(shù)值仿真模擬是彌補(bǔ)上述不足的有效手段。Tutumluer等[52]利用離散單元法建立了圖4所示有砟道床模型，研究結(jié)果表明，道床塑性變形隨荷載幅值的增加而顯著增大，隨荷載頻率增加發(fā)生一定程度的衰減。Huang等[53]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)列車運(yùn)行速度達(dá)到“臨界速度”時，道床的力學(xué)性能顯著降低，道床沉降陡增。張徐等[54]利用離散單元法研究了簡諧荷載頻率對有砟道床沉降變形的影響，結(jié)果表明，當(dāng)頻率超過20 Hz時，會引發(fā)大量道砟顆粒發(fā)生轉(zhuǎn)動，致使道床累積變形迅速增大。高亮等[33]考慮路基與道床相互作用的影響，研究結(jié)果表明，軌道整體沉降隨列車運(yùn)行速度的提高及軸重的增加不斷變大，其中，道床沉降相對于路基沉降的占比逐漸增加。

圖4 有砟道床離散元模型

綜合看來，隨著列車運(yùn)行速度的提高及軸重的增大，道床劣化速率顯著加快，對散體道床質(zhì)量提出了更高要求，應(yīng)從道砟材質(zhì)、級配，軌道構(gòu)件性能等多方面進(jìn)行嚴(yán)格控制。

2.1.2 下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

在行車條件下，散體道床不僅受到上部軌排的動力荷載影響，還受到下部基礎(chǔ)的支撐作用。不同類型線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的剛度差異較大，在外荷載作用下會發(fā)生不同的動態(tài)響應(yīng)，進(jìn)而影響基礎(chǔ)對有砟道床的作用，使道床的劣化規(guī)律發(fā)生改變。針對路基和橋梁兩種不同基礎(chǔ)類型下有砟道床的劣化特征，國內(nèi)外學(xué)者展開一系列的研究工作。

路基剛度相對較小，能夠有效擴(kuò)散傳遞下來的列車荷載，對道床反力沖擊作用較小。Abadi等[55]通過道砟與路基接觸的數(shù)量和面積評判兩者間的接觸狀態(tài)，進(jìn)而研究兩者間的相互作用以及道床的劣化規(guī)律。Nimbalkar等[56]對比分析了剛性路基和軟土路基兩種基礎(chǔ)條件下列車荷載對有砟道床的沖擊作用，發(fā)現(xiàn)在剛性路基上采用減振墊層能有效減小道砟所受沖擊力，進(jìn)而延緩道砟劣化。聶志紅等[57]利用有限元與無限元耦合的方法建立了有砟道床-路基耦合模型，研究了道砟在不同道床厚度及路基剛度條件下的動力響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)道床厚度對道砟振動加速度及動位移影響較大，在考慮經(jīng)濟(jì)性的前提下，增加道床厚度是提高有砟軌道穩(wěn)定性的有效措施。徐鵬等[58]建立了圖5所示列車-有砟軌道-路基動力學(xué)模型，分析了列車荷載作用下散體道床及基床表層的動應(yīng)力分布特征。

圖5 道床-路基空間耦合模型

橋梁結(jié)構(gòu)較路基而言剛度較大，且橋梁自身在外荷載作用下也會發(fā)生顯著的振動響應(yīng)，進(jìn)而對散體道床產(chǎn)生附加荷載作用，加速道床劣化。Yan等[59]利用有限元法建立了車輛-軌道-橋梁耦合動力學(xué)模型，研究了高速列車運(yùn)行條件下軌道與橋梁之間的相互作用，結(jié)果表明，增大橋墩剛度能夠有效減小梁軌相對位移，進(jìn)而延緩道床劣化。Flener等[60]針對橋上道床動力響應(yīng)進(jìn)行了現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)道砟豎向振動加速度隨著列車運(yùn)行速度的提高不斷變大，但一直保持在安全限值內(nèi)。練松良等[61]對比分析了路橋過渡段軌道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的差異，研究結(jié)果表明，對于新建有砟軌道，散體道床在橋梁振動附加荷載的作用下會進(jìn)一步擠壓密實，致使軌道結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)一步增大，引發(fā)與路基段之間的剛度不平順，影響列車運(yùn)行的平穩(wěn)性及舒適性，建議在橋上有砟軌道設(shè)計中考慮軌道結(jié)構(gòu)剛度的演變規(guī)律，以延緩道床劣化速率。

綜合分析，國內(nèi)外學(xué)者利用試驗及仿真手段揭示了不同基礎(chǔ)條件下有砟道床的動力響應(yīng)及劣化特征。相比之下，橋上道床受到的橋梁振動附加荷載作用，會加速道床劣化，在橋梁和有砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注道床劣化規(guī)律，確保橋上行車安全。

2.2 有砟軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)優(yōu)化研究2.2.1 有砟道床斷面尺寸優(yōu)化

有砟道床能起到均勻擴(kuò)散列車荷載，減緩輪軌的沖擊作用，斷面尺寸會影響道床的穩(wěn)定性及承載能力。高亮等[62]通過數(shù)值仿真模擬研究了道床頂面寬度、道床厚度、邊坡坡度、砟肩堆高對道床橫向阻力的影響規(guī)律，提出了道床斷面尺寸的合理取值。文獻(xiàn)[63]用室內(nèi)試驗手段研究了不同道床斷面尺寸下軌枕受力的變化規(guī)律。井國慶等[64]結(jié)合室內(nèi)試驗與數(shù)值仿真研究了砟肩堆高對道床橫向阻力的影響規(guī)律，并對中歐有砟道床斷面尺寸差異進(jìn)行了分析。

2.2.2 道砟級配優(yōu)化

道砟級配對顆粒間的咬合狀態(tài)產(chǎn)生顯著影響，致使有砟道床在服役過程中的劣化程度差異很大。邵文杰等[65]基于最小投影的粒徑評估方法，研究了寬粒徑級配與單一粒徑級配對道床沉降的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)寬級配道床累積沉降量遠(yuǎn)小于單一粒徑的沉降量，可見寬級配道床能有效延緩道床劣化，延長道床使用壽命。隨著列車荷載循環(huán)作用次數(shù)的累積，道砟不斷發(fā)生破碎粉化，再加上外部粉塵入侵，道砟級配中細(xì)顆粒含量不斷增大，Indraratna等[66-67]通過室內(nèi)試驗研究了道砟級配中細(xì)顆粒含量對道床力學(xué)性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，細(xì)顆粒含量過大是引發(fā)有砟道床穩(wěn)定性及承載能力降低的主要原因之一。徐旸等[68]引入分形理論對道砟級配進(jìn)行量化分析，研究了道砟級配對道床力學(xué)性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)道砟劣化后細(xì)顆粒含量對道床抗剪性能影響較大，在養(yǎng)護(hù)維修工作中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

2.2.3 軌枕設(shè)計與優(yōu)化

軌枕型式影響軌排與散粒體道砟之間的傳力機(jī)制，導(dǎo)致道床劣化程度產(chǎn)生差異。蔡小培等[69]針對Ⅲ型軌枕、框架式軌枕、梯子式軌枕、雙塊式軌枕、寬軌枕及德國B系列軌枕在橋上有砟軌道的適應(yīng)性進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)增大軌枕與道床接觸面積能有效延緩道床變形，但在實際應(yīng)用中還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性及不同線路質(zhì)量要求的適用性。Hajime等[70]利用重載列車對梯子式軌枕進(jìn)行加速碾壓，研究其耐久性能，結(jié)果表明，梯子式軌枕能減少砟肩的道砟用量，穩(wěn)定性更好。Riessberger等[71]通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)使用框架型軌枕道床沉降量僅為普通軌枕的2/3。肖宏等[72]采用離散單元法研究了Ⅲ型混凝土枕、框架式軌枕、梯子式軌枕、寬軌枕對高速鐵路橋上有砟道床力學(xué)性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)寬軌枕的受力及穩(wěn)定性最佳，最適合鋪設(shè)于橋上有砟軌道。由于寬軌枕的枕間距過小難以插入搗鎬臂，致使寬軌枕的養(yǎng)護(hù)維修工作困難，為解決此技術(shù)難題，Plasser[73]研發(fā)了在軌枕外側(cè)插入的搗固裝置，為寬軌枕的推廣應(yīng)用提供了基礎(chǔ)保障。

2.3 研究展望

基于國內(nèi)外既有研究現(xiàn)狀，針對不同運(yùn)營條件下有砟道床的劣化規(guī)律，可從以下幾方面進(jìn)一步展開研究工作：

(1)不同荷載條件下有砟道床力學(xué)狀態(tài)的評價體系研究。在既有研究中，國內(nèi)外學(xué)者普遍采用相同的手段和評價體系，主要針對不同荷載條件下有砟道床的力學(xué)特性及耐久性進(jìn)行分析。力學(xué)特性主要涉及道床結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的縱橫向阻力；道砟耐久性能則主要涉及洛杉磯試驗、集料破碎率試驗，評價中基本采用相同的試驗方法、評估參數(shù)及指標(biāo)，對外部荷載條件的差異性以及下部基礎(chǔ)影響的考慮不充分。因此，應(yīng)對此開展更加系統(tǒng)的研究，并提出差異化的評價方法。

(2)軌枕-散體道床-下部基礎(chǔ)多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)耦合作用機(jī)理研究。國內(nèi)外學(xué)者對道床與結(jié)構(gòu)間相互作用的研究多局限于道床的整體變形及動力響應(yīng)，且理論研究多是從宏觀角度將散體道床在模型中簡化為質(zhì)量塊，或是僅采用簡單的彈簧阻尼元件對道床進(jìn)行模擬，并未考慮道床的散體特性，因而無法反映出道砟顆粒間的咬合力、接觸力等特性。此外，道床與軌排或下部基礎(chǔ)之間采用線性彈簧-阻尼系統(tǒng)連接，難以真實體現(xiàn)散體道床多層體系之間離散的點(diǎn)面接觸特性。采用這種方法只能對道床進(jìn)行定性分析，并不能真實反映散體道床的力學(xué)特性及現(xiàn)場實際情況。此外，試驗研究的可變干擾因素較多，研究結(jié)果不具有廣泛的代表性。

(3)不同荷載及線路條件下有砟軌道力學(xué)行為及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。重載鐵路荷載具有軸重大、頻次低的特點(diǎn)，而高速鐵路荷載具有幅值低、頻次高的特性。因而，針對高速及重載兩種線路條件，應(yīng)在道砟材質(zhì)、級配等有砟道床設(shè)計參數(shù)上體現(xiàn)一定的差異性，以適應(yīng)線路的荷載特征。此外，重載和高速的功能定位不同，對軌道結(jié)構(gòu)質(zhì)量及服役性能要求有所差異，如何對不同線路條件下的有砟道床劣化程度進(jìn)行有效評價，有待進(jìn)一步研究。

(4)不同線路狀態(tài)道床斷面優(yōu)化研究。隨著我國鐵路行業(yè)的飛速發(fā)展，貨運(yùn)量的增加使得列車軸重不斷增大，導(dǎo)致列車荷載在有砟道床的傳遞深度不斷增加，因此，單一道床斷面形式不能滿足多樣的內(nèi)部應(yīng)力分布特征?？瓦\(yùn)專線高速運(yùn)行，致使列車荷載對有砟道床沖擊作用不斷加劇，應(yīng)力在道床中的擴(kuò)散范圍及形式產(chǎn)生差異，為滿足高速鐵路高穩(wěn)定性、高舒適性的要求，道床斷面形式有待進(jìn)一步優(yōu)化研究。

3 有砟軌道大機(jī)養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)研究

由于散體道床具有隨列車荷載發(fā)生累積變形的特性，鐵路運(yùn)營部門主要采用大型養(yǎng)路機(jī)械搗固作業(yè)對散體道床進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修。國內(nèi)外學(xué)者主要從大機(jī)作業(yè)機(jī)理及大機(jī)評估預(yù)測兩方面展開研究。

3.1 大機(jī)作業(yè)機(jī)理

為揭示大機(jī)對有砟道床作業(yè)機(jī)理，明確搗固及穩(wěn)定作業(yè)過程中道砟顆粒受力狀況，進(jìn)而改善養(yǎng)護(hù)維修效果，國內(nèi)外學(xué)者通過試驗及數(shù)值仿真模擬開展了大量研究工作。

試驗方面，Douglas等[74]利用道砟箱進(jìn)行搗固室內(nèi)試驗，研究了搗固作業(yè)對道床沉降和道砟顆粒劣化的影響。Aursudkij等[75]建立有砟軌道試驗平臺，研究了搗固作業(yè)對散體道床的破壞效果，發(fā)現(xiàn)相比于夾持階段，插入階段道床會發(fā)生更為嚴(yán)重的破壞。Kumara等[76-77]建立了1∶5的室內(nèi)縮尺模型，采用視頻監(jiān)測的手段對道砟顆粒流動趨勢進(jìn)行了分析，圖6為搗固作業(yè)后枕下道砟位移矢量圖，研究了不同臟污程度的散體道床搗固作業(yè)前后累積變形特性，發(fā)現(xiàn)搗固作業(yè)不適于臟污程度在30%以上的散體道床。Liu等[78-79]從機(jī)械角度研究了搗固作業(yè)過程中搗鎬的自振頻率及幾何形狀對搗固效果的影響，但并未充分考慮散體道床的散粒體特性，與真實情況存在一定的差別。

圖6 搗固作業(yè)后枕下道砟位移矢量圖

離散單元法是模擬大機(jī)作業(yè)的主流方法，Tutumluer等[80]利用該方法建立了大機(jī)-有砟道床模型，對比分析了搗固作業(yè)后不同形狀及材質(zhì)道砟在的力學(xué)特性，研究了散體道床強(qiáng)度的變化規(guī)律。Saussine等[81]認(rèn)為搗鎬振動頻率對搗固作業(yè)效果有較大影響，研究了搗固頻率對道床密實度的影響規(guī)律，提出了合理的取值范圍。Wang等[82]研究了搗固作業(yè)過程中道砟顆粒的運(yùn)動特征，發(fā)現(xiàn)道砟形狀會對顆粒的振動響應(yīng)有較大影響。劉暢[83]建立了搗鎬-道砟數(shù)值仿真模型，研究了插搗深度、振動頻率等作業(yè)參數(shù)對搗固效果的影響規(guī)律。Shi等[84]基于離散單元法與多體動力學(xué)耦合建立了大機(jī)-有砟道床耦合模型，揭示了大機(jī)作業(yè)參數(shù)與道床密實度、橫向阻力、支承剛度等道床力學(xué)性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，提出了大機(jī)作業(yè)優(yōu)化參數(shù)。伍超[85]建立道床板結(jié)模型，分析了搗固作業(yè)參數(shù)對不同板結(jié)程度道床的作用效果，提出適用于工程現(xiàn)場病害的大機(jī)作業(yè)建議。

3.2 大機(jī)評估預(yù)測

隨著工程經(jīng)驗及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的累積，國內(nèi)外學(xué)者通過理論計算分析，利用機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)手段對軌道質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測，對大機(jī)作業(yè)效果進(jìn)行評價，并基于此制定了合理的養(yǎng)護(hù)維修周期。Vale等[86]綜合考慮對大機(jī)搗固作業(yè)效果影響較大的多方面因素，建立了數(shù)學(xué)分析模型以優(yōu)化大機(jī)搗固作業(yè)流程及作業(yè)周期；通過在葡萄牙北部線路上的應(yīng)用，驗證了模型的有效性及適用性。Andrews等[87]結(jié)合軌道劣化特征以及影響?zhàn)B護(hù)維修作業(yè)的多個因素，建立Petri模型評估了既有線養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)的有效性，并對不同線路狀況的道床力學(xué)性能進(jìn)行合理預(yù)測。Liu等[88]考慮線路狀況的復(fù)雜性及差異性，對現(xiàn)有搗固裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并通過現(xiàn)場道床力學(xué)性能的測試評估搗固作業(yè)效果，驗證了新型搗固裝置的適用性及合理性。Tan等[89]利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立了搗固作業(yè)有效性的預(yù)測系統(tǒng)，提出既有線大機(jī)養(yǎng)護(hù)維修方案優(yōu)化建議，使大機(jī)能最大程度發(fā)揮其作業(yè)價值，減少養(yǎng)護(hù)維修的費(fèi)用。楊飛等[90]根據(jù)搗固作業(yè)前后軌道質(zhì)量指數(shù)的變化規(guī)律，提出用大機(jī)作業(yè)指數(shù)表征搗固作業(yè)效果，并結(jié)合現(xiàn)場工程應(yīng)用，研究了不同搗固作業(yè)模式對道床質(zhì)量的影響規(guī)律。曲建軍等[91]通過建立了灰色非線性系統(tǒng)模型，預(yù)測軌道質(zhì)量指數(shù)隨時間的發(fā)展規(guī)律，為大機(jī)養(yǎng)護(hù)維修方案設(shè)計提供參考。

3.3 研究展望

綜上所述，既有研究中涉及搗固作業(yè)機(jī)理的理論研究較少，研究發(fā)展趨勢主要包括以下三方面：

(1)搗固作業(yè)與散體道床真實作用機(jī)理及基于道床狀態(tài)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化。在搗固作業(yè)與道砟細(xì)觀相互作用行為及合理作業(yè)參數(shù)方面，搗鎬的插搗深度、振動頻率、夾持力等作業(yè)參數(shù)均是決定道床維修質(zhì)量的關(guān)鍵因素，但目前搗固作業(yè)參數(shù)大多從機(jī)械角度進(jìn)行設(shè)計，對道床狀態(tài)考慮較少，且搗固作業(yè)本身就會因搗鎬插搗引起道砟顆粒破碎，應(yīng)針對道床實際狀態(tài)，選取不同的搗固作業(yè)參數(shù)，從而實現(xiàn)道床的“狀態(tài)修”。因此，通過數(shù)值模擬或室內(nèi)試驗手段揭示搗固作業(yè)的作用機(jī)理，并結(jié)合軌檢數(shù)據(jù)等道床狀態(tài)指標(biāo)，對道床服役狀態(tài)進(jìn)行評估，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行搗固作業(yè)參數(shù)優(yōu)化是今后研究的主要發(fā)展方向。

(2)搗固與動力穩(wěn)定作業(yè)組合匹配機(jī)制及參數(shù)研究。工程實際中，大機(jī)搗固作業(yè)之后，為使枕下相對松散的道床達(dá)到沉降穩(wěn)定的狀態(tài)，通常需要采用動力穩(wěn)定進(jìn)行作業(yè)，動力穩(wěn)定車的作業(yè)參數(shù)、與搗固作業(yè)的組合方式是決定搗固維修作業(yè)質(zhì)量及作業(yè)后道床服役狀態(tài)的關(guān)鍵影響因素，既有研究對此涉及較少，且僅有的研究也多是針對搗固、穩(wěn)定單項作業(yè)參數(shù)進(jìn)行分析。對于兩者組合作業(yè)的合理匹配及參數(shù)優(yōu)化研究是今后需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

(3)搗固維修作業(yè)與列車長期荷載作用下的道床狀態(tài)預(yù)測、健康管理及輔助決策。散體道床在列車荷載作用下的累積變形與大機(jī)搗固作業(yè)是一個交替循環(huán)的過程，其間必然會伴隨道床狀態(tài)劣化。因而不同服役階段散體道床呈現(xiàn)出的累積變形機(jī)理不同，既有研究對搗固作業(yè)后道床變形機(jī)理分析較為欠缺，難以準(zhǔn)確評估搗固作業(yè)對道床力學(xué)狀態(tài)的實際改善機(jī)制。這也是導(dǎo)致目前大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)參數(shù)和工藝缺乏科學(xué)依據(jù)的重要原因。因此，在明確搗固、穩(wěn)定作業(yè)作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合道床作業(yè)前后的力學(xué)狀態(tài)，對道床作業(yè)后的服役狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測、健康管理及輔助決策是我國有砟軌道科學(xué)養(yǎng)護(hù)維修的發(fā)展方向。

4 新型有砟軌道結(jié)構(gòu)研究

為提高道床強(qiáng)度及穩(wěn)定性，延緩道床劣化，國內(nèi)外部分有砟軌道線路開始應(yīng)用聚氨酯、土工格柵技術(shù)等輔助措施，其基本原理是通過改善顆粒間的接觸咬合狀態(tài)，減少顆粒間的相互錯動，進(jìn)而減輕顆粒間的磨耗，以達(dá)到優(yōu)化道床力學(xué)性能的目的。

4.1 彈性軌枕有砟軌道技術(shù)

通過在彈性軌枕枕下添加柔性墊層，可增加有砟軌道彈性的效果，能夠減輕軌枕對散體道床的沖擊作用，延緩道床劣化，延長有砟軌道使用壽命。Paix?o等[92]研究了在過渡段使用彈性軌枕對有砟軌道動力響應(yīng)的影響，研究結(jié)果表明，彈性軌枕增加了軌道的垂向柔度，在一定程度上增大了鋼軌垂向位移。Jayasuriya[93]通過一系列大型室內(nèi)試驗，研究了彈性軌枕延緩道砟劣化和減小道床永久變形的效果，發(fā)現(xiàn)彈性軌枕的使用減小了道砟受力，從而減少道砟磨耗破碎，延長有砟道床使用壽命。Kumar等[29]建立了彈性軌枕有砟道床模型，研究了循環(huán)荷載下道砟的力學(xué)性能，結(jié)果表明，彈性軌枕墊增大了與道砟的接觸面積，從而降低了道砟破碎。蔡小培等[94]通過建立車輛-軌道-隧道動力學(xué)模型，研究了彈性軌枕對隧道內(nèi)車輛及隧道自身動力特性的影響，發(fā)現(xiàn)彈性軌枕減振效果良好，能有效保證隧道內(nèi)行車的安全性和平穩(wěn)性。Gao等[95]采用離散元法建立了彈性軌枕道床和常規(guī)道床模型，對比研究了彈性軌枕對顆粒接觸力、軌枕沉降、振動速度和加速度等動態(tài)性能指標(biāo)的影響，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)軌枕相比，彈性軌枕增加了軌枕的沉降量，同時減小了道床振動和顆粒間的接觸力，延緩了道床劣化。崔旭浩等[96]采用離散單元法和有限差分法相結(jié)合的方法建立了彈性軌枕有砟道床模型，研究表明彈性軌枕可有效降低道床上層道砟顆粒之間出現(xiàn)較大接觸力，降低了道床內(nèi)道砟顆粒間的平均接觸力和最大接觸力，并且道砟顆粒之間接觸力的概率密度隨著接觸力的增大而逐漸減小。

4.2 土工格柵技術(shù)

土工格柵能夠有效增強(qiáng)道砟顆粒間的自鎖效應(yīng)，提高道床橫向穩(wěn)定性，防止有砟道床不均勻沉降。Brown等[97]利用格柵拉拔室內(nèi)及現(xiàn)場試驗研究了加筋道床的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)土工格柵能夠有效減小道床塑性變形，減緩道床劣化速率，延長有砟道床的使用壽命，提出土工格柵的最佳尺寸為60～80 mm。Indraratna等[98-99]通過現(xiàn)場試驗對土工格柵有砟道床在列車荷載作用下的沉降、破碎展開研究，結(jié)果表明，土工格柵能有效提升道床性能，減緩道床劣化，在此基礎(chǔ)上結(jié)合離散單元法，研究了土工格柵對不同臟污程度有砟道床劣化的改善效果[100]，發(fā)現(xiàn)土工格柵對清潔道床的加固效果最佳。Chen等[101]通過道砟箱格柵室內(nèi)及數(shù)值仿真試驗，研究了格柵形狀及鋪設(shè)位置對加固效果的影響規(guī)律，指出三角形格柵比矩形格柵的加固效果更好，土工格柵最佳鋪設(shè)位置為底砟以上50 mm處。Sufian等[102]利用離散單元法研究了不同材質(zhì)格柵與道砟顆粒間的摩擦效果，結(jié)果表明格柵與道砟顆粒間的摩擦力越大，土工格柵對道床加固效果越好。Fischer等[103]研究土工格柵對不同密實度道床的加固效果，結(jié)果表明，土工格柵能明顯改善壓實緊密道床的抗剪性能，對于松散道床的加固效果不明顯。

4.3 砟下墊層技術(shù)

道砟墊具有高彈性、高黏性及高阻尼的特性，作為一種鋪設(shè)在有砟道床下的柔型結(jié)構(gòu)，它可以增加道床彈性，減小道床與梁面、隧道仰拱等剛性基礎(chǔ)之間的沖擊作用，有效降低道砟磨耗，減少有砟線路運(yùn)營維護(hù)工作量。Costa等[104]采用2.5維有限元-邊界元法建立了車輛軌道動力學(xué)模型，分析了砟下墊層剛度、位置和厚度對軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響，發(fā)現(xiàn)砟下墊層能夠降低軌道的動力響應(yīng)并減少傳輸?shù)降孛娴母哳l振動，研究結(jié)果表明，將墊層置于底砟下方更能提高整體減振效果。Ngo等[105]通過一系列大型落錘沖擊試驗，研究了再生材料制成的砟下墊層對沖擊荷載的減弱效果，結(jié)果顯示，砟下墊層除了減少傳給道砟和其他下部結(jié)構(gòu)部件的能量外，還能將荷載分布在更大的區(qū)域，并在更長的時間內(nèi)衰減荷載，從而降低最大應(yīng)力，減少道床的永久變形和劣化。譚詩宇等[106]通過建立車輛軌道耦合動力學(xué)模型，研究了環(huán)境敏感區(qū)橋梁地段的軌道砟下墊層對軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)受力特性的影響以及砟下墊層剛度的合理取值，研究發(fā)現(xiàn)，砟下墊層對橋梁結(jié)構(gòu)減振效果顯著，其動力響應(yīng)明顯減小，同時還有利于降低道床振動。郄錄朝等[107]通過建立重載列車與彈性軌道耦合作用模型，分析了砟下墊層對重載鐵路動力特性的影響，提出了重載鐵路砟下墊層設(shè)計要求和試驗方法，并通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗對砟下墊層的使用效果進(jìn)行評價。

4.4 聚氨酯固化道床

聚氨酯固化技術(shù)主要用于曲線地段有砟道床加固及路橋過渡段剛度調(diào)整，通過黏結(jié)相鄰道砟顆粒，避免了顆粒間的相互錯動，減緩道砟磨耗，進(jìn)而有效抑制道床劣化。郄錄朝等[108]通過疲勞荷載試驗及凍融試驗研究了聚氨酯固化道床力學(xué)特性，結(jié)果表明，與普通碎石道床相比，固化道床具有更好的彈性保持能力及橫向穩(wěn)定性，能顯著減少有砟道床養(yǎng)護(hù)維修工作量。Kennedy[109]建立了等比例道床室內(nèi)試驗裝置，研究了散粒體道砟粘結(jié)對道床的強(qiáng)化效果。Woodward等[110-111]結(jié)合現(xiàn)場試驗及數(shù)值仿真模擬研究了聚氨酯固化技術(shù)對有砟道床力學(xué)性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)采用聚氨酯固化技術(shù)能提高40%～50%的道床支承剛度，提出在砟肩噴涂聚氨酯以強(qiáng)化橫向穩(wěn)定性的道床加固方案。王紅等[112]通過現(xiàn)場試驗研究了聚氨酯對有砟道床的固化機(jī)理，提出了重載條件下固化道床的合理參數(shù)取值。樓梁偉等[113]通過現(xiàn)場施工分析，研究了在曲線超高地段聚氨酯固化技術(shù)施工工藝，提出了較為完整的曲線超高地段聚氨酯固化道床施工作業(yè)流程。蔣函珂[114]建立了車輛-軌道空間耦合模型，研究了高速及重載條件下聚氨酯固化道床與普通散粒體道床的動力響應(yīng)差異，對聚氨酯材料力學(xué)參數(shù)及澆筑方案設(shè)置提供理論支撐。

4.5 研究展望

綜上所述，聚氨酯固化技術(shù)、土工格柵、彈性軌枕、砟下墊均能有效提高道床穩(wěn)定性，減輕道床沉降及顆粒破碎粉化，有效延緩道床劣化。在以下幾個方面可展開進(jìn)一步研究：

(1)固化材料多元化。有砟道床固化技術(shù)的主要目的在于提高道床支承剛度及穩(wěn)定性，同時避免飛砟病害的產(chǎn)生。不同技術(shù)等級及線路狀況的有砟軌道對道床彈性及強(qiáng)度的要求不同，采用單一聚氨酯固化材料不能滿足多樣行車條件及環(huán)境狀況需求。因此，固化材料多元化是目前有砟道床固化技術(shù)的發(fā)展趨勢。

(2)考慮道砟級配及形狀的土工格柵優(yōu)化研究。土工格柵的加固作用機(jī)理主要在于維持道砟顆粒間的接觸咬合狀態(tài)，減少顆粒間的相互錯動及重新排列，進(jìn)而提高道床力學(xué)性能，減緩道床劣化。道砟級配及形狀影響顆粒之間的接觸關(guān)系以及顆粒與格柵的力學(xué)行為，因此對土工格柵的加固效果產(chǎn)生極大影響，針對不同道砟顆粒的格柵形狀及尺寸設(shè)計的研究有待進(jìn)一步深入。

(3)彈性軌枕適用性研究。目前我國彈性軌枕主要應(yīng)用于橋上有砟軌道，能夠有效減緩列車荷載對散體道床及橋梁振動沖擊作用，延長有砟軌道使用壽命。但彈性軌枕的應(yīng)用導(dǎo)致橋上有砟軌道剛度大大降低，和路基段產(chǎn)生剛度不平順，增大輪軌作用力，且在列車荷載作用下軌道變形增大，在一定程度上影響列車運(yùn)行的安全性、舒適性及平穩(wěn)性。如何科學(xué)合理的應(yīng)用彈性軌枕有待進(jìn)一步研究。

(4)道砟墊材料優(yōu)化及長期服役性能研究。目前道砟墊主要采用橡膠原材料，價格相對較高，為使道砟墊在有砟軌道普及應(yīng)用，還需開發(fā)較為經(jīng)濟(jì)的新型材料，以降低有砟軌道建造成本。道砟墊隨著運(yùn)營時間的累積不斷發(fā)生老化，為保證列車運(yùn)營安全，其長期服役性能有待進(jìn)一步深入研究。

5 結(jié)論

國內(nèi)外學(xué)者針對有砟軌道劣化開展了大量卓有成效的研究工作，本文重點(diǎn)從道砟顆粒劣化、散體道床劣化兩方面分析有砟道床劣化機(jī)理，研究了列車荷載及下部基礎(chǔ)兩類運(yùn)營條件、有砟軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對道床劣化的影響，總結(jié)了大機(jī)養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)及新型軌道結(jié)構(gòu)兩種延緩劣化措施。在對目前國內(nèi)外學(xué)者所取得的代表性成果及存在的問題進(jìn)行了分析的基礎(chǔ)上，對今后有砟軌道劣化機(jī)理及服役狀態(tài)控制方面所需要開展的研究工作進(jìn)行了建議。

(1)有砟道床劣化機(jī)理研究。針對道砟顆粒劣化，建議在今后的研究工作中重點(diǎn)關(guān)注道砟破碎演化行為的真實模擬；多手段、多指標(biāo)道砟磨耗及破碎行為室內(nèi)試驗方法；基于劣化后道床級配曲線的道床力學(xué)性能評估方法等內(nèi)容。針對散體道床劣化，建議在今后的研究工作中重點(diǎn)關(guān)注散體道床累積變形機(jī)理及軌面不平順映射關(guān)系研究，基于道床劣化機(jī)理的道床物理、力學(xué)狀態(tài)的評估方法等內(nèi)容，道床劣化及發(fā)展規(guī)律及預(yù)測。

(2)有砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計影響因素及部件關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化研究。針對有砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要影響因素，建議在今后的研究工作中重點(diǎn)關(guān)注不同荷載條件下有砟道床力學(xué)狀態(tài)的評價體系研究。針對有砟軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)優(yōu)化研究，建議重點(diǎn)關(guān)注軌枕-散體道床-下部基礎(chǔ)多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)耦合作用機(jī)理研究，不同荷載及線路條件下有砟軌道力學(xué)行為及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，不同線路狀態(tài)的道床斷面進(jìn)行優(yōu)化研究。

(3)有砟軌道大機(jī)養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)研究。建議在今后的研究工作中重點(diǎn)關(guān)注搗固作業(yè)與散體道床真實作用機(jī)理及基于道床狀態(tài)的作業(yè)參數(shù)優(yōu)化，搗固與動力穩(wěn)定作業(yè)的組合匹配機(jī)制及參數(shù)研究，搗固維修作業(yè)與列車長期荷載作用下的道床狀態(tài)預(yù)測、健康管理及輔助決策。

(4)在型有砟軌道結(jié)構(gòu)研究。建議在今后的研究工作中重點(diǎn)關(guān)注固化材料多元化；考慮道砟級配及形狀的土工格柵優(yōu)化研究；彈性軌枕適用性研究；道砟墊材料優(yōu)化及長期服役性能研究。