鐵路有砟道床劣化研究進(jìn)展綜述

高 亮，徐 旸，楊國(guó)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(guó)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(guó)國(guó)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(chē)荷載的長(zhǎng)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(shí)，服役階段復(fù)雜自然環(huán)境也會(huì)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(huì)顯著降低列車(chē)運(yùn)行的安全性與平穩(wěn)性，影響鐵路的正常運(yùn)營(yíng)，增加養(yǎng)護(hù)維修工作量。運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)顯示，由道床劣化引起的鐵路線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，占我國(guó)有砟軌道線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)支出的90%以上。

隨著列車(chē)運(yùn)行速度的逐步提高，客貨運(yùn)量的不斷增大，列車(chē)荷載對(duì)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(kāi)展更為科學(xué)的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)及養(yǎng)護(hù)維修工作，在保障列車(chē)安全、平穩(wěn)運(yùn)行的前提下，延長(zhǎng)道床使用壽命，是鐵路有砟軌道亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。然而，有砟道床由散粒體道砟堆積密實(shí)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(shí)，列車(chē)荷載的長(zhǎng)期反復(fù)作用，以及復(fù)雜自然環(huán)境導(dǎo)致的線(xiàn)路條件差異，對(duì)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此問(wèn)題開(kāi)展了大量探索和研究。

本文重點(diǎn)針對(duì)有砟道床劣化機(jī)理、有砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響因素及延緩劣化措施三個(gè)方面，對(duì)既有相關(guān)研究成果進(jìn)行總結(jié)分析，針對(duì)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(wèn)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(duì)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(chē)運(yùn)行時(shí)，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(jí)配改變，有砟道床力學(xué)質(zhì)量降低。針對(duì)道砟破碎機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)道砟顆粒單軸壓碎及道砟集料三軸壓力室內(nèi)試驗(yàn)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(yàn)中，通過(guò)對(duì)單個(gè)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(yàn)?zāi)軌蛑庇^地反映道砟破碎宏觀演變過(guò)程，但對(duì)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(shí)反映道砟破碎過(guò)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(dòng)摩擦系數(shù)表征道砟顆粒的不規(guī)則輪廓。Chen等[5]利用對(duì)離散元球體單元的重疊建立了clump顆粒，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)表征道砟顆粒不規(guī)則輪廓和強(qiáng)度。在實(shí)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(yàn)，結(jié)合Weibull分析方法研究了加載位置對(duì)道砟破碎的影響規(guī)律。綜合而言，單軸壓碎試驗(yàn)主要是針對(duì)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(shí)有砟線(xiàn)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(yàn)通過(guò)對(duì)道砟集料施加軸壓和圍壓，能夠更為真實(shí)的模擬散體道床的受力特征[9]。Aursudkij等[10]利用大型動(dòng)三軸試驗(yàn)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(yàn)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(xiàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(shí)現(xiàn)了低圍壓條件下，對(duì)道砟顆粒破碎引起道砟集料級(jí)配改變的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

綜合以上分析可知，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用道砟顆粒單軸壓碎試驗(yàn)和道砟集料三軸壓力試驗(yàn)，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(duì)道砟破碎具有較大影響，在有砟線(xiàn)路上應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

1.1.2 道砟磨耗

道砟顆粒在列車(chē)循環(huán)荷載作用下會(huì)發(fā)生相互擠壓和錯(cuò)動(dòng)，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(rùn)滑”的作用，導(dǎo)致道床力學(xué)性能進(jìn)一步降低。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)洛杉磯磨耗試驗(yàn)及狄法爾磨耗試驗(yàn)對(duì)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(duì)道床力學(xué)性能的影響規(guī)律。

洛杉磯磨耗試驗(yàn)對(duì)道砟及鋼球進(jìn)行旋轉(zhuǎn)混合磨耗，通過(guò)磨耗質(zhì)量比指標(biāo)來(lái)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(yàn)過(guò)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(yàn)研究了道砟顆粒材質(zhì)、形狀以及尺寸對(duì)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(jì)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(píng)估預(yù)測(cè)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(yàn)在試驗(yàn)方法上和洛杉磯磨耗試驗(yàn)相近，主要區(qū)別在于試驗(yàn)樣本級(jí)配、磨耗鋼球、篩余量不同。除此之外，狄法爾磨耗試驗(yàn)更加適用于潮濕環(huán)境下道砟耐磨性能的測(cè)試。Erichsen等[22]通過(guò)狄法爾室內(nèi)試驗(yàn)研究了濕顆粒磨耗對(duì)集料整體劣化的影響規(guī)律。Hasheminezhad等[23]通過(guò)狄法爾試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鋼渣具有良好的耐磨性能，因此提出在有砟線(xiàn)路上使用鋼渣替換道砟的建議，同時(shí)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(yàn)及數(shù)值仿真模擬，從多尺度對(duì)集料耐磨性能展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)狄法爾磨耗值隨磨耗次數(shù)增加呈幾何級(jí)數(shù)變大趨勢(shì)。

基于已有道砟磨耗機(jī)制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，開(kāi)展了道砟磨耗對(duì)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(chē)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(huì)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(mǎn)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(xiàn)路上為保證道床穩(wěn)定性，延長(zhǎng)道床使用壽命，應(yīng)對(duì)道砟選型進(jìn)行重點(diǎn)控制。

1.1.3 研究展望

基于國(guó)內(nèi)外既有研究工作，針對(duì)鐵路道砟顆粒劣化問(wèn)題，可在以下幾方面開(kāi)展研究：

(1)道砟破碎演化行為的真實(shí)模擬。在有砟軌道線(xiàn)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(huì)引發(fā)大量的道砟顆粒發(fā)生破碎。單軸及三軸壓碎試驗(yàn)?zāi)軌蛴行Ы沂镜理念w粒破碎力學(xué)特征，但不能真實(shí)反映有砟線(xiàn)路上道砟破碎力學(xué)行為。考慮室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備及成本限制，建議結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值仿真模擬，對(duì)真實(shí)受力條件下道砟顆粒的破碎行為展開(kāi)研究，進(jìn)一步揭示實(shí)際線(xiàn)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(yàn)研究。各國(guó)的道砟標(biāo)準(zhǔn)中廣泛應(yīng)用洛杉磯磨耗試驗(yàn)對(duì)道砟的耐磨性能進(jìn)行評(píng)估。真實(shí)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(duì)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(yàn)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(guò)程中的跌落，以及鋼球拍砸所形成的沖擊引起，與真實(shí)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(yàn)、干磨試驗(yàn)等多手段的試驗(yàn)研究方法對(duì)道砟磨耗機(jī)理進(jìn)行研究。

(3)基于劣化后道床級(jí)配曲線(xiàn)的道床力學(xué)性能評(píng)估方法。從工程應(yīng)用角度來(lái)說(shuō)，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(jí)配的形式表現(xiàn)出來(lái)。同時(shí)，道砟級(jí)配的改變會(huì)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(píng)估方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)科學(xué)養(yǎng)護(hù)維修具有重要意義。此外，不同線(xiàn)路的荷載情況往往具有較大差異，目前特級(jí)、一級(jí)級(jí)配未能考慮不同線(xiàn)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(duì)不同線(xiàn)路的運(yùn)營(yíng)狀況，提出更具針對(duì)性的級(jí)配曲線(xiàn)具有重要的工程價(jià)值。

1.2 散體道床劣化機(jī)理

在列車(chē)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(xiàn)路的服役性能降低。本節(jié)針對(duì)道床沉降及臟污，總結(jié)分析國(guó)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(guò)程中，道砟顆粒會(huì)發(fā)生擠壓和錯(cuò)動(dòng)，以及破碎和磨耗，產(chǎn)生道床沉降，進(jìn)而導(dǎo)致線(xiàn)路平順性降低。針對(duì)道床沉降機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)及數(shù)值仿真的手段開(kāi)展了一系列的研究工作。

試驗(yàn)研究主要包括現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)。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(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了循環(huán)利用的道砟力學(xué)特性，對(duì)比分析了散體道床的沉降變化規(guī)律。相比于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)軌虼蟠蠊?jié)省成本，Mcdowell等[28]通過(guò)道砟箱室內(nèi)試驗(yàn)，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(yàn)?zāi)軌蛴行Х从超F(xiàn)場(chǎng)有砟道床的真實(shí)力學(xué)行為。

圖1 道床沉降試驗(yàn)道砟箱

有砟道床是承受列車(chē)荷載的主體結(jié)構(gòu)，鋼軌承受的動(dòng)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(dòng)，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(chē)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(guò)程中逐漸衰減，其中，軌枕底部道砟接觸力相對(duì)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(dòng)。Liu等[31]在室內(nèi)試驗(yàn)中利用智能道砟捕獲單個(gè)道砟顆粒的運(yùn)動(dòng)特征，以此分析有砟道床不同區(qū)域道砟的流動(dòng)規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，在外荷載作用下道砟顆粒同時(shí)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(xiàn)路平順性，對(duì)行車(chē)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(jí)配對(duì)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(chē)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(huì)相互入侵，道床沉降相對(duì)于軌道整體沉降占比為83.9%～86.8%。Varandas等[34]、Nielsen等[35]建立了車(chē)輛-軌道-路基耦合動(dòng)力學(xué)模型，分析了列車(chē)荷載作用下空間不同結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軌道沉降的有效預(yù)測(cè)。

圖2 道床-路基耦合模型

綜合以上分析可知，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)以及仿真模擬的方式，揭示了列車(chē)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(cè)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(chē)通過(guò)時(shí)，道床內(nèi)部道砟顆粒間的擠壓錯(cuò)動(dòng)會(huì)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(huì)加重道床臟污。道床臟污會(huì)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(cè)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(duì)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(duì)于道床空隙的體積比作為評(píng)價(jià)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(duì)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(duì)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(píng)估指標(biāo)VCI。在檢測(cè)手段方面，Al-Qadi等[39]基于時(shí)頻分析方法開(kāi)發(fā)雷達(dá)檢測(cè)GPR技術(shù)，可對(duì)道床臟污程度、含水率進(jìn)行有效檢測(cè)。同時(shí)Anbazhagan等[40]、Fontul等[41]利用該技術(shù)對(duì)有砟道床的臟污類(lèi)型及臟污方法進(jìn)行了有效識(shí)別。

基于上述道床臟污評(píng)價(jià)指標(biāo)及檢測(cè)方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用試驗(yàn)及仿真模擬，對(duì)道床臟污機(jī)理展開(kāi)了一系列的研究。Huang等[42]通過(guò)道砟箱剪切室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比分析了粉煤灰、黏塑性土、礦物填料對(duì)道床抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)粉煤灰對(duì)道床的劣化影響最明顯，當(dāng)粉煤灰臟污率到過(guò)15%時(shí)，道床抗剪強(qiáng)度顯著降低，且道床含水會(huì)加快力學(xué)性能的衰減速率。TolouKian等[43]通過(guò)道砟箱室內(nèi)直剪試驗(yàn)，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(xiàn)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(duì)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(yàn)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(duì)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(guò)離散元數(shù)值仿真模擬研究發(fā)現(xiàn)，小粒徑顆粒臟污會(huì)對(duì)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(guó)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(píng)價(jià)指標(biāo)及檢測(cè)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(guó)內(nèi)外既有研究工作，針對(duì)散體道床劣化機(jī)理，可在以下幾個(gè)方面開(kāi)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(huì)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(lái)，并影響列車(chē)運(yùn)行安全。既有研究大多針對(duì)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(wèn)題。

(2)基于道床劣化機(jī)理的道床物理、力學(xué)狀態(tài)的評(píng)估方法。就道床狀態(tài)的合理評(píng)估而言，單一的動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)無(wú)法評(píng)估散體道床劣化特性，甚至多個(gè)散體道床的動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)仍無(wú)法對(duì)道床劣化進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。道床力學(xué)狀態(tài)變化規(guī)律往往由道床的級(jí)配、密實(shí)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(yíng)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(shí)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(cè)。磨耗、臟污、沉降等劣化現(xiàn)象最終會(huì)對(duì)有砟道床的服役狀態(tài)造成影響，而既有劣化預(yù)測(cè)模型多數(shù)只關(guān)注道床沉降，應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)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(jì)影響因素及參數(shù)優(yōu)化

2.1 有砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(chē)運(yùn)行速度及運(yùn)量的不斷提高，對(duì)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(chē)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(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值仿真展開(kāi)了一系列研究工作。

室內(nèi)試驗(yàn)方面，通過(guò)伺服裝置可對(duì)道砟箱及三軸試驗(yàn)的荷載形式進(jìn)行有效控制。Anderson等[48]通過(guò)室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)對(duì)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(duì)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(mǎn)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(yàn)，研究了列車(chē)運(yùn)行速度及軸重對(duì)道床累積變形的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)道床沉降會(huì)隨著荷載作用頻率及幅值的增加而顯著增長(zhǎng)。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(xiàn)路在提速改造中的道砟顆粒質(zhì)量狀態(tài)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，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(yàn)條件限制，室內(nèi)試驗(yàn)難以對(duì)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(guò)5 Hz，無(wú)法對(duì)高速列車(chē)荷載進(jìn)行真實(shí)模擬，且室內(nèi)試驗(yàn)成本相對(duì)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(chē)運(yùn)行速度達(dá)到“臨界速度”時(shí)，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(jiǎn)諧荷載頻率對(duì)有砟道床沉降變形的影響，結(jié)果表明，當(dāng)頻率超過(guò)20 Hz時(shí)，會(huì)引發(fā)大量道砟顆粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，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(chē)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(duì)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(lái)，隨著列車(chē)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(duì)散體道床質(zhì)量提出了更高要求，應(yīng)從道砟材質(zhì)、級(jí)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(chē)條件下，散體道床不僅受到上部軌排的動(dòng)力荷載影響，還受到下部基礎(chǔ)的支撐作用。不同類(lèi)型線(xiàn)下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的剛度差異較大，在外荷載作用下會(huì)發(fā)生不同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，進(jìn)而影響基礎(chǔ)對(duì)有砟道床的作用，使道床的劣化規(guī)律發(fā)生改變。針對(duì)路基和橋梁兩種不同基礎(chǔ)類(lèi)型下有砟道床的劣化特征，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)一系列的研究工作。

路基剛度相對(duì)較小，能夠有效擴(kuò)散傳遞下來(lái)的列車(chē)荷載，對(duì)道床反力沖擊作用較小。Abadi等[55]通過(guò)道砟與路基接觸的數(shù)量和面積評(píng)判兩者間的接觸狀態(tài)，進(jìn)而研究?jī)烧唛g的相互作用以及道床的劣化規(guī)律。Nimbalkar等[56]對(duì)比分析了剛性路基和軟土路基兩種基礎(chǔ)條件下列車(chē)荷載對(duì)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(wú)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(dòng)力響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)道床厚度對(duì)道砟振動(dòng)加速度及動(dòng)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(chē)-有砟軌道-路基動(dòng)力學(xué)模型，分析了列車(chē)荷載作用下散體道床及基床表層的動(dòng)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(huì)發(fā)生顯著的振動(dòng)響應(yīng)，進(jìn)而對(duì)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(chē)輛-軌道-橋梁耦合動(dòng)力學(xué)模型，研究了高速列車(chē)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(duì)位移，進(jìn)而延緩道床劣化。Flener等[60]針對(duì)橋上道床動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)道砟豎向振動(dòng)加速度隨著列車(chē)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(duì)比分析了路橋過(guò)渡段軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的差異，研究結(jié)果表明，對(duì)于新建有砟軌道，散體道床在橋梁振動(dòng)附加荷載的作用下會(huì)進(jìn)一步擠壓密實(shí)，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(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性及舒適性，建議在橋上有砟軌道設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外學(xué)者利用試驗(yàn)及仿真手段揭示了不同基礎(chǔ)條件下有砟道床的動(dòng)力響應(yīng)及劣化特征。相比之下，橋上道床受到的橋梁振動(dòng)附加荷載作用，會(huì)加速道床劣化，在橋梁和有砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注道床劣化規(guī)律，確保橋上行車(chē)安全。

2.2 有砟軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計(jì)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(chē)荷載，減緩輪軌的沖擊作用，斷面尺寸會(huì)影響道床的穩(wěn)定性及承載能力。高亮等[62]通過(guò)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(duì)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(yàn)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(guó)慶等[64]結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值仿真研究了砟肩堆高對(duì)道床橫向阻力的影響規(guī)律，并對(duì)中歐有砟道床斷面尺寸差異進(jìn)行了分析。

2.2.2 道砟級(jí)配優(yōu)化

道砟級(jí)配對(duì)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(guò)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(píng)估方法，研究了寬粒徑級(jí)配與單一粒徑級(jí)配對(duì)道床沉降的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)寬級(jí)配道床累積沉降量遠(yuǎn)小于單一粒徑的沉降量，可見(jiàn)寬級(jí)配道床能有效延緩道床劣化，延長(zhǎng)道床使用壽命。隨著列車(chē)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(jí)配中細(xì)顆粒含量不斷增大，Indraratna等[66-67]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了道砟級(jí)配中細(xì)顆粒含量對(duì)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(guò)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(duì)道砟級(jí)配進(jìn)行量化分析，研究了道砟級(jí)配對(duì)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(duì)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(jì)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(duì)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(guó)B系列軌枕在橋上有砟軌道的適應(yīng)性進(jìn)行了對(duì)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(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性及不同線(xiàn)路質(zhì)量要求的適用性。Hajime等[70]利用重載列車(chē)對(duì)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)使用框架型軌枕道床沉降量?jī)H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(duì)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(guò)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(guó)內(nèi)外既有研究現(xiàn)狀，針對(duì)不同運(yùn)營(yíng)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(kāi)研究工作：

(1)不同荷載條件下有砟道床力學(xué)狀態(tài)的評(píng)價(jià)體系研究。在既有研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍采用相同的手段和評(píng)價(jià)體系，主要針對(duì)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(yàn)、集料破碎率試驗(yàn)，評(píng)價(jià)中基本采用相同的試驗(yàn)方法、評(píng)估參數(shù)及指標(biāo)，對(duì)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(duì)此開(kāi)展更加系統(tǒng)的研究，并提出差異化的評(píng)價(jià)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(dòng)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(jiǎn)化為質(zhì)量塊，或是僅采用簡(jiǎn)單的彈簧阻尼元件對(duì)道床進(jìn)行模擬，并未考慮道床的散體特性，因而無(wú)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(xiàn)性彈簧-阻尼系統(tǒng)連接，難以真實(shí)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(duì)道床進(jìn)行定性分析，并不能真實(shí)反映散體道床的力學(xué)特性及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。此外，試驗(yàn)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(xiàn)路條件下有砟軌道力學(xué)行為及關(guān)鍵設(shè)計(jì)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(duì)高速及重載兩種線(xiàn)路條件，應(yīng)在道砟材質(zhì)、級(jí)配等有砟道床設(shè)計(jì)參數(shù)上體現(xiàn)一定的差異性，以適應(yīng)線(xiàn)路的荷載特征。此外，重載和高速的功能定位不同，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)質(zhì)量及服役性能要求有所差異，如何對(duì)不同線(xiàn)路條件下的有砟道床劣化程度進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，有待進(jìn)一步研究。

(4)不同線(xiàn)路狀態(tài)道床斷面優(yōu)化研究。隨著我國(guó)鐵路行業(yè)的飛速發(fā)展，貨運(yùn)量的增加使得列車(chē)軸重不斷增大，導(dǎo)致列車(chē)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(mǎn)足多樣的內(nèi)部應(yīng)力分布特征?？瓦\(yùn)專(zhuān)線(xiàn)高速運(yùn)行，致使列車(chē)荷載對(duì)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(mǎn)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(chē)荷載發(fā)生累積變形的特性，鐵路運(yùn)營(yíng)部門(mén)主要采用大型養(yǎng)路機(jī)械搗固作業(yè)對(duì)散體道床進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從大機(jī)作業(yè)機(jī)理及大機(jī)評(píng)估預(yù)測(cè)兩方面展開(kāi)研究。

3.1 大機(jī)作業(yè)機(jī)理

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

試驗(yàn)方面，Douglas等[74]利用道砟箱進(jìn)行搗固室內(nèi)試驗(yàn)，研究了搗固作業(yè)對(duì)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(yàn)平臺(tái)，研究了搗固作業(yè)對(duì)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(huì)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(cè)的手段對(duì)道砟顆粒流動(dòng)趨勢(shì)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(guò)程中搗鎬的自振頻率及幾何形狀對(duì)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(shí)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(duì)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(dòng)頻率對(duì)搗固作業(yè)效果有較大影響，研究了搗固頻率對(duì)道床密實(shí)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(guò)程中道砟顆粒的運(yùn)動(dòng)特征，發(fā)現(xiàn)道砟形狀會(huì)對(duì)顆粒的振動(dòng)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(dòng)頻率等作業(yè)參數(shù)對(duì)搗固效果的影響規(guī)律。Shi等[84]基于離散單元法與多體動(dòng)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(shí)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(duì)不同板結(jié)程度道床的作用效果，提出適用于工程現(xiàn)場(chǎng)病害的大機(jī)作業(yè)建議。

3.2 大機(jī)評(píng)估預(yù)測(cè)

隨著工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的累積，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)理論計(jì)算分析，利用機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)手段對(duì)軌道質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)大機(jī)作業(yè)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(duì)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?xún)?yōu)化大機(jī)搗固作業(yè)流程及作業(yè)周期；通過(guò)在葡萄牙北部線(xiàn)路上的應(yīng)用，驗(yàn)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(gè)因素，建立Petri模型評(píng)估了既有線(xiàn)養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)的有效性，并對(duì)不同線(xiàn)路狀況的道床力學(xué)性能進(jìn)行合理預(yù)測(cè)。Liu等[88]考慮線(xiàn)路狀況的復(fù)雜性及差異性，對(duì)現(xiàn)有搗固裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)道床力學(xué)性能的測(cè)試評(píng)估搗固作業(yè)效果，驗(yàn)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(cè)系統(tǒng)，提出既有線(xiàn)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(jià)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(chǎng)工程應(yīng)用，研究了不同搗固作業(yè)模式對(duì)道床質(zhì)量的影響規(guī)律。曲建軍等[91]通過(guò)建立了灰色非線(xiàn)性系統(tǒng)模型，預(yù)測(cè)軌道質(zhì)量指數(shù)隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律，為大機(jī)養(yǎng)護(hù)維修方案設(shè)計(jì)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(shì)主要包括以下三方面：

(1)搗固作業(yè)與散體道床真實(shí)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(dòng)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(jì)，對(duì)道床狀態(tài)考慮較少，且搗固作業(yè)本身就會(huì)因搗鎬插搗引起道砟顆粒破碎，應(yīng)針對(duì)道床實(shí)際狀態(tài)，選取不同的搗固作業(yè)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)道床的“狀態(tài)修”。因此，通過(guò)數(shù)值模擬或室內(nèi)試驗(yàn)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(duì)道床服役狀態(tài)進(jìn)行評(píng)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(dòng)力穩(wěn)定作業(yè)組合匹配機(jī)制及參數(shù)研究。工程實(shí)際中，大機(jī)搗固作業(yè)之后，為使枕下相對(duì)松散的道床達(dá)到沉降穩(wěn)定的狀態(tài)，通常需要采用動(dòng)力穩(wěn)定進(jìn)行作業(yè)，動(dòng)力穩(wěn)定車(chē)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(duì)此涉及較少，且僅有的研究也多是針對(duì)搗固、穩(wěn)定單項(xiàng)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行分析。對(duì)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(chē)長(zhǎng)期荷載作用下的道床狀態(tài)預(yù)測(cè)、健康管理及輔助決策。散體道床在列車(chē)荷載作用下的累積變形與大機(jī)搗固作業(yè)是一個(gè)交替循環(huán)的過(guò)程，其間必然會(huì)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(duì)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(píng)估搗固作業(yè)對(duì)道床力學(xué)狀態(tài)的實(shí)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(duì)道床作業(yè)后的服役狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)、健康管理及輔助決策是我國(guó)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(guó)內(nèi)外部分有砟軌道線(xiàn)路開(kāi)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(guò)改善顆粒間的接觸咬合狀態(tài)，減少顆粒間的相互錯(cuò)動(dòng)，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(guò)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(duì)散體道床的沖擊作用，延緩道床劣化，延長(zhǎng)有砟軌道使用壽命。Paix?o等[92]研究了在過(guò)渡段使用彈性軌枕對(duì)有砟軌道動(dòng)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(guò)一系列大型室內(nèi)試驗(yàn)，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(zhǎng)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(guò)建立車(chē)輛-軌道-隧道動(dòng)力學(xué)模型，研究了彈性軌枕對(duì)隧道內(nèi)車(chē)輛及隧道自身動(dòng)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(chē)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(duì)比研究了彈性軌枕對(duì)顆粒接觸力、軌枕沉降、振動(dòng)速度和加速度等動(dòng)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(shí)減小了道床振動(dòng)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(chǎng)試驗(yàn)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(zhǎng)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)土工格柵有砟道床在列車(chē)荷載作用下的沉降、破碎展開(kāi)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(duì)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(duì)清潔道床的加固效果最佳。Chen等[101]通過(guò)道砟箱格柵室內(nèi)及數(shù)值仿真試驗(yàn)，研究了格柵形狀及鋪設(shè)位置對(duì)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(duì)道床加固效果越好。Fischer等[103]研究土工格柵對(duì)不同密實(shí)度道床的加固效果，結(jié)果表明，土工格柵能明顯改善壓實(shí)緊密道床的抗剪性能，對(duì)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(xiàn)路運(yùn)營(yíng)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(chē)輛軌道動(dòng)力學(xué)模型，分析了砟下墊層剛度、位置和厚度對(duì)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(dòng)力響應(yīng)并減少傳輸?shù)降孛娴母哳l振動(dòng)，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(guò)一系列大型落錘沖擊試驗(yàn)，研究了再生材料制成的砟下墊層對(duì)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(zhǎng)的時(shí)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(shī)宇等[106]通過(guò)建立車(chē)輛軌道耦合動(dòng)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(duì)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(duì)橋梁結(jié)構(gòu)減振效果顯著，其動(dòng)力響應(yīng)明顯減小，同時(shí)還有利于降低道床振動(dòng)。郄錄朝等[107]通過(guò)建立重載列車(chē)與彈性軌道耦合作用模型，分析了砟下墊層對(duì)重載鐵路動(dòng)力特性的影響，提出了重載鐵路砟下墊層設(shè)計(jì)要求和試驗(yàn)方法，并通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)砟下墊層的使用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.4 聚氨酯固化道床

聚氨酯固化技術(shù)主要用于曲線(xiàn)地段有砟道床加固及路橋過(guò)渡段剛度調(diào)整，通過(guò)黏結(jié)相鄰道砟顆粒，避免了顆粒間的相互錯(cuò)動(dòng)，減緩道砟磨耗，進(jìn)而有效抑制道床劣化。郄錄朝等[108]通過(guò)疲勞荷載試驗(yàn)及凍融試驗(yàn)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(yàn)裝置，研究了散粒體道砟粘結(jié)對(duì)道床的強(qiáng)化效果。Woodward等[110-111]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值仿真模擬研究了聚氨酯固化技術(shù)對(duì)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了聚氨酯對(duì)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工分析，研究了在曲線(xiàn)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(xiàn)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(chē)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(dòng)力響應(yīng)差異，對(duì)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(gè)方面可展開(kāi)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(shí)避免飛砟病害的產(chǎn)生。不同技術(shù)等級(jí)及線(xiàn)路狀況的有砟軌道對(duì)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(mǎn)足多樣行車(chē)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(shì)。

(2)考慮道砟級(jí)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(cuò)動(dòng)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(jí)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(duì)土工格柵的加固效果產(chǎn)生極大影響，針對(duì)不同道砟顆粒的格柵形狀及尺寸設(shè)計(jì)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(guó)彈性軌枕主要應(yīng)用于橋上有砟軌道，能夠有效減緩列車(chē)荷載對(duì)散體道床及橋梁振動(dòng)沖擊作用，延長(zhǎng)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(chē)荷載作用下軌道變形增大，在一定程度上影響列車(chē)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(zhǎng)期服役性能研究。目前道砟墊主要采用橡膠原材料，價(jià)格相對(duì)較高，為使道砟墊在有砟軌道普及應(yīng)用，還需開(kāi)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(yíng)時(shí)間的累積不斷發(fā)生老化，為保證列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全，其長(zhǎng)期服役性能有待進(jìn)一步深入研究。

5 結(jié)論

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)有砟軌道劣化開(kāi)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(chē)荷載及下部基礎(chǔ)兩類(lèi)運(yùn)營(yíng)條件、有砟軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)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(duì)目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者所取得的代表性成果及存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析的基礎(chǔ)上，對(duì)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(kāi)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(duì)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(shí)模擬；多手段、多指標(biāo)道砟磨耗及破碎行為室內(nèi)試驗(yàn)方法；基于劣化后道床級(jí)配曲線(xiàn)的道床力學(xué)性能評(píng)估方法等內(nèi)容。針對(duì)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(píng)估方法等內(nèi)容，道床劣化及發(fā)展規(guī)律及預(yù)測(cè)。

(2)有砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響因素及部件關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化研究。針對(duì)有砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)體系研究。針對(duì)有砟軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計(jì)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(xiàn)路條件下有砟軌道力學(xué)行為及關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，不同線(xiàn)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(shí)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(dòng)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(chē)長(zhǎng)期荷載作用下的道床狀態(tài)預(yù)測(cè)、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(jí)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(zhǎng)期服役性能研究。