基于堆积实验和离散元数值模拟的道砟级配及其优化研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

近年来在国家政策扶持下我国铁路得到了迅猛发展。 截止2015年底,我国铁路营运里程达到12.1万公里,其中大部分使用无砟轨道的高铁仅占有1.9万公里,有砟轨道仍然是铁路发展的主流方向。道砟是有砟轨道的必要组成部分,在一些路基稳定的既有线上,轨道的沉降主要来源于道床。运营经验数据表明,80%的养护维修工作量用于道床作业和治理由于道床变形所引起的其他轨道病害。铁路道砟相较于其他散粒体材料具有粒径大,外形不规则,棱角分明,颗粒间咬合力强等特点。这决定了研究道砟力学特性时,除了道砟的级配,颗粒的不规则外形必须予以考虑。研究道砟颗粒形状对道砟力学性质的影响,目前主要有模拟和试验两种方法,大多数研究者选用了模拟方法进行相关研究,(DEM最早被应用于岩石等非连续介质力学行为的研究),李旭等人利用DDA方法分析道砟的自然堆积和单轴压缩过程,验证了DDA在研究道砟变形上的有效性。孔亮基于离散元法,采用PFC2D软件建立二维颗粒组研究颗粒形状对类砂土力学性质的影响。边学成等人利用计算机视觉技术与离散元法结合重建与真实道砟颗粒具备相同几何特征的三维模型,对道砟颗粒料在直剪试验中的变形和细观力学特性进行了深入详细的分析。常晓林等人则采用随机颗粒不连续变形(SGDD)模型来模拟常规三轴试验,研究堆石颗粒形状、粒间摩擦角对堆石体宏观力学性能的影响。也有少数研究者做了实试验研究,如刘清秉为研究颗粒形状对砂土的力学及变形性质的影响,以3 种中、粗石英砂及1 种商用玻璃为材料进行直剪试验,探讨了颗粒形状对于砂土抗剪强度及桩端阻力的作用机制。相比较而言,采用试验研究道砟颗粒形状的研究就比较匮乏,一方面是利用数值模拟进行散体颗粒的研究有着其无法替代的优势,另一方面是在经费、时间、技术等因素下,进行室内试验受到很大制约。要想研究道砟颗粒形状,必须先对颗粒进行量化分析,建立起描述颗粒形状的几何参数。P. J. BARRETT和和Gye-Chue Cho1都从全局形态、表面特征、表面纹理三个层次给出了颗粒形状的定义方法,如刘清秉定义构建了2 种不同层次的形状描述指标(球形度、磨圆度),并通过计算机辅助程序完成颗粒形状参数的量化。涂新斌, 王思敬利用图像分析全面地介绍了在颗粒形状分析中常用的参数,指出利用颗粒面积和周长得到的参数S11 是描述颗粒形状效果比较好的参数之一。张家发系统的分析了各种描述颗粒形状的参数,最终提出长宽比(或其倒数)、扁平度(或其倒数)、球形度是对于颗粒形状较敏感的参数。本文也是在此量化基础上,采用长宽比,扁平度,球形度作为研究道砟颗粒的量化指标。利用离散元颗粒数值模拟研究道砟颗粒的形状对道砟堆休止角的影响,验证形状参数的可行性并提出更具有代表性的道砟颗粒形状模型。从而在实际工程应用上,优化道砟颗粒形状,提高道床的强度和耐久性,减少有砟轨道地基维护成本。中国“一带一路”建设的推进离不开基础设施的建设,而这其中铁路是首当其冲的一步,随着连接欧亚大陆两端“义新欧”铁路和全长1344km本格拉铁路的顺利通车,标志着我国铁路走出国门,面向世界。由于地理位置多变、气候条件复杂的自然因素以及载货量激增和铁路维修成本高的人为因素,如何提高铁路使用寿命的问题越来越突出,目前国内外铁路使用的主要还是有砟轨道,它具有来源广泛、铺设简便、维修成本低等优点。道砟颗粒的形状对道床的强度、变形等力学特性具有显著影响,因此研究道砟颗粒形状和颗粒级配对道砟力学性能的影响对提高铁路道砟的耐久性、降低维修铁路成本有重要意义。

2. 研究的基本内容与方案

内容及目标
1.基于室内粗粒料下落堆积试验研究不同级配和下落高度对道砟堆休止角的影响。

2.学习相关离散元基本理论知识,简单clump颗粒的生成办法和编写一套简单道砟颗粒堆积试验程序。


3.分析离散元数值模拟结果,探究颗粒粒径和形状对休止角,堆积体内应力分布和孔隙率的影响。基于离散元数值模拟研究颗粒轮廓系数、圆润度、表面摩擦度(摩擦系数)三项形状指标以及级配参数对颗粒堆积休止角的影响。

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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,完成开题报告和外文翻译。确定试验方案,进行试验前的准备工作。

第3-5周:完成18-24组室内粗粒料下落堆积试验,其中包括不同级配和下落高度的道砟试样。

第6-10周:熟悉掌握相关离散元计算软件pfc3d的使用。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]许永贤. 铁路碎石道砟[m]. 中国铁道出版社, 2008.

[2] 韩燕龙, 贾富国, 唐玉荣,等. 颗粒滚动摩擦系数对堆积特性的影响[j]. 物理学报, 2014, 63(17):165-171.

[3] 王家全, 陈亚菁, 陆梦梁,等. 砂土堆积试验的组合clump颗粒离散元模拟[j]. 广西大学学报自然科学版, 2016, 41(4):1131-1138.

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