在地震中利用滚动边缘型TMD对实际建筑进行被动或主动控制：一项比较研究

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Passive or active control of an actual building under earthquakes using rolling rim-type TMD: A comparative study

道砟轨道在高速列车载荷下易发生液化，本研究通过耦合离散元-有限元模型揭示其机理：模型采用水平连接矩形离散元模拟轨枕，多边形离散元表征道砟层，有限元计算下承层振动，模拟发现波长传播导致道砟异步振动，削弱结构整体性，道砟与轨枕间缺乏有效侧向支撑引发中心道砟外移，造成不可逆变形。研究成果为高速铁路道砟轨道设计维护提供理论依据。

　　本研究聚焦于高速列车运行条件下道砟层的流化现象，探讨其在微观尺度上的力学机制。随着铁路运输速度的不断提升，传统的道砟轨道结构面临着前所未有的挑战。高速列车对轨道施加的动态载荷不仅增加了轨道系统的复杂性，还引发了道砟层中一系列非线性力学响应，其中最显著的就是流化行为。流化是指在动态载荷作用下，道砟颗粒失去原有的稳定排列，表现出类似流体的流动性，这种现象可能导致轨道结构的不可逆变形，进而影响列车运行的安全性和稳定性。因此，理解道砟层在高速列车作用下的流化机制，对于未来铁路轨道的设计、施工和维护具有重要意义。

道砟层作为轨道结构的重要组成部分，承担着将列车轮轨作用力传递至路基的关键功能。它由非粘性颗粒构成，这些颗粒在列车运行过程中受到复杂的动态应力作用，容易发生相对位移和旋转，从而导致轨道结构的长期变形。在高速列车运行时，由于振动频率的提高，道砟颗粒的运动变得更加剧烈，这种剧烈的运动可能引发类似于土壤液化的现象，即颗粒之间的摩擦力和粘结力被削弱，使得道砟层表现出类似流体的特性。这种流化现象不仅影响轨道的承载能力，还可能加速轨道的塑性变形，降低轨道的平顺性，进而对列车运行安全构成威胁。

为了深入研究这一现象，本研究开发了一种耦合离散元（DEM）与有限元（FE）的数值模型，以更全面地模拟道砟层在高速列车作用下的动态响应。传统的实验方法虽然在一定程度上能够观察到道砟颗粒的运动，但存在一定的局限性。例如，物理模型实验主要依赖于计算机视觉技术，只能捕捉道砟层表面的颗粒运动，而无法揭示其内部的颗粒行为。此外，某些实验采用“智能岩石”技术，即通过在道砟层中嵌入少量传感器来监测颗粒的振动情况，但这种方法仅能跟踪少量颗粒，难以反映整体的颗粒迁移趋势。同时，这些实验方法也缺乏对颗粒间相互作用的深入分析。

相比之下，离散元方法（DEM）在研究颗粒运动和颗粒间相互作用方面具有显著优势。它能够模拟颗粒在受力条件下的动态行为，捕捉颗粒之间的接触力、摩擦力和剪切力等微观力学特征。然而，大多数基于DEM的研究主要集中在局部道砟层的模拟，难以全面反映道砟颗粒在整个轨道结构中的迁移路径。此外，传统的DEM模型通常假设道砟层底部为固定刚性边界，这可能导致振动在底部边界处发生反射，从而影响道砟层的动态响应。为了克服这一问题，本研究引入了有限元方法，通过将道砟层下方的道床和路基部分用有限元模型进行模拟，从而构建出更加真实的边界条件。

本研究采用的耦合DE-FE模型在模拟过程中充分考虑了道砟层与下部结构之间的相互作用。模型中，道砟层由多边形颗粒组成，以离散元方法进行模拟，而道床和路基则采用有限元方法进行建模。这种耦合方法不仅能够准确捕捉道砟颗粒的运动轨迹，还能够反映道床和路基在动态载荷下的振动特性。通过这种方式，研究者能够更全面地分析道砟层在高速列车作用下的流化行为，以及其对轨道结构整体性能的影响。

在模型构建过程中，研究者采用了一种简化的建模方式，将道砟层的颗粒以矩形形状进行模拟，以提高计算效率。这种建模方法虽然不能完全反映道砟颗粒的复杂形状，但在实际应用中能够有效捕捉道砟层的主要力学特性。此外，研究者还特别关注了道砟颗粒在道砟层内部的迁移路径，特别是在道砟层下方的道床和路基部分的颗粒运动。通过模拟不同列车速度下的道砟层响应，研究者发现，高速列车运行时，道砟层内部的振动传播更加显著，导致颗粒之间的异步振动，削弱了道砟层的整体稳定性。

在模型验证过程中，研究者参考了由Gu等人[57]进行的全尺寸物理模型实验。该实验使用了一种新型的高速铁路测试装置，由浙江大学研发，包括一个15米长、5米宽、6米高的模型箱和一个由八个伺服液压装置组成的高频振动器阵列。通过该装置，研究者能够模拟高速列车对轨道结构的动态载荷，并观察道砟层在不同速度条件下的响应。模型的验证结果显示，耦合DE-FE模型能够较好地再现实验中的流化行为，尤其是在道砟颗粒的迁移路径和整体变形模式方面。这一结果表明，耦合模型在模拟道砟层动态响应方面具有较高的准确性和可靠性。

通过进一步的模拟分析，研究者发现道砟层的流化行为主要由轨道结构中的波传播引起。当列车高速运行时，轨道结构中的振动波会沿道砟层传播，并在不同区域产生异步振动，这种异步振动会削弱道砟层的整体稳定性，使其难以形成稳定的颗粒接触网络。此外，道砟层中靠近自由端的区域会受到更强烈的振动影响，这种振动会阻碍颗粒之间的相互咬合，导致道砟层表现出类似流体的流动性。与此同时，道砟层两侧的肩部道砟缺乏有效的横向支撑，使得中央区域的颗粒向外迁移，从而加速道砟层的永久变形。

研究还指出，道砟层的流化行为不仅与列车速度有关，还受到道砟层结构和材料特性的影响。例如，道砟颗粒的形状、尺寸、密度以及道砟层的厚度都会影响其在动态载荷下的响应。此外，道砟层下方的道床和路基的材料特性也对道砟层的流化行为产生重要影响。如果道床和路基的振动特性较强，那么它们可能会与道砟层产生共振效应，进一步加剧道砟层的流化现象。因此，在实际工程中，需要综合考虑道砟层的结构设计和下部结构的材料特性，以优化轨道系统的动态稳定性。

本研究的另一个重要发现是，道砟层的流化行为在不同列车速度下表现出显著差异。在较低速度条件下，道砟层的颗粒运动相对温和，主要表现为局部的相对位移和旋转，而不会形成明显的流化现象。然而，当列车速度提高时，道砟层的颗粒运动变得更加剧烈，振动波的传播速度和强度也随之增加，从而导致道砟层的整体流化行为。这种流化行为不仅会降低道砟层的承载能力，还会加速轨道结构的塑性变形，影响列车运行的平顺性和安全性。

此外，研究还发现，道砟层的流化行为在轨道结构的不同位置具有不同的表现。例如，靠近轨道轨枕的区域可能会受到更强烈的振动影响，而远离轨枕的区域则可能表现出较弱的流化现象。这种差异可能与轨枕的刚度和支撑能力有关，轨枕的刚度越高，其对道砟层的支撑作用越强，从而抑制道砟颗粒的过度迁移。因此，在实际轨道设计中，可以通过优化轨枕的结构和材料特性，提高其对道砟层的支撑能力，从而减少道砟层的流化现象。

研究还探讨了道砟层流化行为对轨道结构整体性能的影响。道砟层的流化可能导致轨道结构的局部失稳，进而影响列车的运行安全。例如，当道砟层发生流化时，轨道的横向稳定性可能会受到影响，导致列车在高速运行时出现横向晃动或偏移。此外，流化还可能引起轨道结构的长期变形，增加轨道维护的成本和难度。因此，在高速铁路建设中，需要充分考虑道砟层的流化行为，并采取相应的措施来提高轨道结构的动态稳定性。

为了更全面地理解道砟层的流化机制，本研究采用了一种全截面的模拟方法，以捕捉道砟颗粒在整个轨道结构中的迁移路径。与以往的研究相比，这种方法能够更准确地反映道砟颗粒在轨道结构中的实际运动情况，为轨道设计和维护提供更可靠的依据。此外，研究者还特别关注了道砟颗粒在轨道结构中的相互作用，包括颗粒之间的接触力、摩擦力和剪切力等，这些因素在道砟层流化过程中起着关键作用。

通过模拟不同列车速度下的道砟层响应，研究者发现，高速列车运行时，道砟层的流化行为更加显著。高速列车产生的振动波在道砟层中传播的速度和强度较高，导致道砟颗粒之间的异步振动，削弱了道砟层的整体稳定性。此外，高速列车运行时，道砟层中的颗粒迁移路径更加复杂，不仅包括横向迁移，还可能涉及纵向迁移。这种复杂的迁移模式使得道砟层的流化行为更加难以预测和控制。

为了提高模拟的准确性，研究者还对模型进行了校准和验证。通过与实际实验数据的对比，研究者发现，耦合DE-FE模型能够较好地再现道砟层的流化行为，尤其是在颗粒迁移路径和整体变形模式方面。这一结果表明，耦合模型在模拟道砟层动态响应方面具有较高的可靠性。此外，研究者还发现，模型的计算效率较高，能够在较短时间内完成对道砟层流化行为的模拟，这对于实际工程中的快速评估和优化具有重要意义。

综上所述，本研究通过开发一种耦合离散元与有限元的数值模型，深入探讨了高速列车运行条件下道砟层的流化行为及其微观力学机制。研究结果表明，道砟层的流化现象主要由轨道结构中的波传播引起，导致颗粒之间的异步振动，削弱道砟层的整体稳定性。此外，道砟层的流化行为还受到道砟颗粒形状、尺寸、密度以及道床和路基材料特性的影响。在实际工程中，需要综合考虑这些因素，以优化轨道结构的设计和维护方案，提高高速铁路的运行安全性和稳定性。