有砟道床轨道结构是现代铁路系统的重要组成部分,其可靠性会对铁路行车安全带来重要影响,有砟道床几何形变、劣化是其可靠性的重要指标之一,故有砟道床几何形变及其劣化机理成为有砟道床工程应用中的重要研究课题。随着现代铁路运输向着高速化、重载化方向的快速发展及运能的不断提升,对于有砟道床可靠性的要求不断提高。同时由于有砟道床的填充物道砟是由大量形状迥异、物理几何特性各不相同的碎石组成,理论研究对于有砟道床的研究变得难以实现,因此开展循环荷载作用下有砟道床的几何形变及劣化机理试验研究,进而对其可靠性进行评估具有重大的学术意义和工程应用价值。本文基于国家自然科学基金项目“细观角度研究高速循环荷载作用下有砟道床动力学响应与劣化机理”(批准号51565021)及省基金项目“高速铁路有砟道床外荷载的动力学响应研究”(批准号2015FB132)的资助,从试验设备关键技术及试验方法的研究出发,围绕循环荷载作用下有砟道床的几何形变及劣化机理开展相关研究。论文的主要研究内容及结论如下:1.基于离散单元理论思想,结合颗粒接触动力学理论分析多角体道砟颗粒的接触力学行为,提出并实现一种通过测量轨枕底部接触板与道砟间接触强度的变化来获取散体有砟道床密实度特征的检测方法及装置。2.提出并实现一种足尺寸室内散体有砟道床循环加载测试试验台,用于循环加载作用下散体有砟道床形变劣化机理研究、道床物理力学特性、道床振动特性及动力学响应特性等的研究。其中实现了下列关键技术:针对有砟道床循环加载试验的研究需要,特别考虑循环加载试验中重复性试验要求及多工位转换需求,建立一种移动加载车装置及基于顺序加载的循环加载工作装置,提出实现移动循环荷载加载的新技术方法;按照分布式平行回路设计方法对循环加载工作装置中的执行件进行控制,提出一种实现循环加载的液压控制回路,执行机构实现循环荷载在30t范围内无极变化,加载频率在0～10Hz范围变化;分析移动荷载对于散体物料的作用特点,结合现代机械结构测试分析理论提出能够满足循环荷载作用下有砟道床动态特性参数获取方法及配套技术方案。3.基于加速寿命理论及正交设计方法进行有砟道床全生命周期试验设计,在已建立的循环加载试验模型上针对散体有砟道床全生命周期中的振动特性试验研究。开展行车速度60～160km/h范围内道床振动测试试验,分别获取有砟道床垂向、横向及纵向三个方向的振动加速度动态特性参数,基于统计学原理用回归分析法获得表征有砟道床振动特性参数与列车行车速度之间相关关系的非线性回归方程。通过从时域、频域及理论计算角度分别对本模型试验结果与现场测试及理论分析计算结果进行分析比对得出以下结论:①低速状态时,比较本模型试验结果与已有文献中现场测试结果及理论分析计算结果,在时域、频域中道床振动加速度变化趋势均有一定的一致性,显示试验设备和采用的试验方法具有较高的可信度;②进而分析不同行车速度下道床垂向、横向及纵向加速度频谱,得出其主频域为10～180Hz;③试验数据回归分析结果显示道床垂向振动加速度与行车速度之间的拟合曲线接近对数曲线模型,道床横向振动加速度与行车速度之间的拟合曲线接近幂函数曲线模型。4.开展有砟道床全生命周期中的沉降特性加速寿命试验研究,结果显示:①道床沉降增量与道床振动加速度的平方近似成正比,随着行车速度的增加道床沉降增量随之增加;②轨枕底部与道床沉降增量的接触强度与沉降增量呈指数增长关系;③通过回归分析方法揭示了道床累积沉降与循环加载次数之间符合对数函数曲线变化;④建立以循环加载次数N为变量的道床初始下沉量的道床沉降计算模型,并以此模型为基础提出散体有砟道床寿命预测评估模型,为实现有砟道床的科学维护管理提供了理论依据。论文的创新点如下:①基于离散元理论及道砟颗粒多体接触动力学理论,提出一种基于接触强度变化的有砟道床密实度检测方法及装置;②提出一种室内散体有砟道床循环加载测试试验台用于有砟道床循环加载试验,其中为了实现有效加载分别提出循环加载工作装置、移动加载车及基于分布式控制的液压控制回路;③完成在60～160 km/h行车速度范围内,道床垂向、横向及纵向振动加速度测试分析工作,得出道床振动加速度随行车速度增长而增长,其中道床垂向振动加速度与行车速度二者接近对数曲线模型,道床横向振动加速度与行车速度二者接近幂函数数曲线模型,且道床振动加速度频谱的主频域为10～180Hz;④研究有砟道床全生命周期内道床累积沉降形变,分析获得有砟道床累积沉降量与循环加载次数符合对数关系的函数关系式,并以此基础上初步提出散体有砟道床寿命预测评估模型。