多层格栅加筋道砟界面联动耦合机制的离散元研究

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作为铁路轨道的主要结构形式之一,有砟轨道因具有低廉的建设维修成本和良好的服役性能而被广泛应用于高速铁路建设中,并且由散体道砟组成的稳定的枕下结构层为有砟轨道提供了优越的减震降噪和弹性性能。然而在高速铁路的长周期运营过程中,道砟颗粒在列车荷载的作用下不可避免的出现颗粒磨损、尖角折断等道砟层颗粒体系承载性能劣化现象,严重影响行车的安全稳定性。土工格栅作为工程补强材料应用于道砟填料中,因其可以增强道砟颗粒间的嵌固咬合作用、限制颗粒侧向迁移从而提高道床横向阻力的优越特性,使得土工格栅加筋道砟增强了道床服役性能的同时,也有效延缓了有砟道床的劣化进程,因而格栅-道砟界面拉拔特性作为加筋道砟结构稳定性评估的重要参数成为关注的焦点。然而格栅-道砟界面复杂的相互作用机制和强度演化规律的不明晰,一定程度上制约了加筋道砟结构的推广与发展。尤其是对于多层筋材在拉拔荷载作用下的协同机制的理解仍不够深入。因此对其筋-土界面相互作用机理、格栅加筋性能影响因素以及界面强度演化规律的研究十分迫切。为探究加筋道砟在拉拔荷载作用下的强度演化规律和多层格栅加筋道砟联动响应机制,本文选用网孔结构稳定、应力分布均匀的三向格栅,利用颗粒流软件(PFC3D)建立了多层格栅加筋道砟拉拔试验数值模型,系统分析了筋-土界面特性以及加筋层数对加筋道砟力学性能的影响。主要研究内容如下:(1)通过宏观拉拔力演化规律的分析,对照已有的室内试验结果,验证模型选取细观参数的合理性。同时以峰值拉拔力作为评价格栅加筋作用的力学指标,揭示了其幅值和幅值出现时对应的位移与法向应力呈正相关关系。(2)基于加筋土结构内部能量耗散机制的分析,结合对筋土相互作用区域的格栅进行应变变形监测,佐以筋材内部轴力分布演化规律,明确土工格栅加筋机理。表明筋-土相互作用主要来自于表面摩擦和拉拔摩擦作用,其拉拔摩擦作为土工格栅独有的特性,体现在嵌固网孔内道砟颗粒、增强孔内道砟与相邻颗粒的咬合力。同时证实了横肋端承阻力是格栅发挥被动阻抗的最大贡献者。(3)依据道砟试样高度,建立不同层数的格栅拉拔数值模型,探究筋土界面强度的变化规律。以平均拉拔力为指标分析格栅层数对其发挥加筋作用的影响,从颗粒尺度分析能量演化,强化对筋土界面特性与宏观力学性能内在联系的认识。(4)针对多层格栅加筋道砟的宏细观力学响应的研究,以其可视化的颗粒位移调动形成的剪切带识别格栅加筋强作用区域,明确筋土协同作用机制。基于颗粒体系力链分布演化揭示其在外部扰动下的荷载传递规律,并对其法向接触力和各向异性演化统计分析,揭示了宏观强度发展与细观组构演化的关联。
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