鐵路有砟道床劣化研究進展綜述

高 亮，徐 旸，楊國濤,3，殷 浩，石順偉

(1.北京交通大學 土木建筑工程學院， 北京 100044；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國國家鐵路集團有限公司 科技和信息化部， 北京 100844)

散體道床在列車荷載的長期反復作用下，力學性能逐漸降低，發生道床劣化現象。同時，服役階段復雜自然環境也會加重道床劣化病害。道床劣化是引起軌道不平順的關鍵因素之一，會顯著降低列車運行的安全性與平穩性，影響鐵路的正常運營，增加養護維修工作量。運營數據顯示，由道床劣化引起的鐵路線路養護維修費用，占我國有砟軌道線路養護支出的90%以上。

隨著列車運行速度的逐步提高，客貨運量的不斷增大，列車荷載對軌道的沖擊作用顯著加強，道床劣化現象隨之加劇。明確散體道床的劣化機理，開展更為科學的設計、運營及養護維修工作，在保障列車安全、平穩運行的前提下，延長道床使用壽命，是鐵路有砟軌道亟待解決的關鍵問題。然而，有砟道床由散粒體道砟堆積密實而成，道砟與道砟之間、道砟與上下部結構之間的接觸狀態和傳力機制十分復雜。同時，列車荷載的長期反復作用，以及復雜自然環境導致的線路條件差異，對有砟道床劣化機理及延緩劣化措施研究造成了一定困難，國內外學者對此問題開展了大量探索和研究。

本文重點針對有砟道床劣化機理、有砟軌道結構設計影響因素及延緩劣化措施三個方面，對既有相關研究成果進行總結分析，針對既有研究存在的不足，提出今后研究工作需重點關注的問題，以期為有砟軌道劣化機理及防治措施研究提供理論參考。

1 鐵路有砟道床劣化機理

1.1 道砟顆粒劣化機理

在外荷載作用下，道砟顆粒易發生破碎及磨耗，致使顆粒間咬合力下降，導致道床力學性能降低。從道砟顆粒劣化角度出發，針對道砟顆粒破碎和磨耗兩種顆粒劣化特有形式，總結分析相關研究現狀，提出進一步研究方向。

1.1.1 道砟破碎

列車運行時，散體道砟在軌排的沖擊、相鄰顆粒的擠壓作用下，易發生破碎，致使道砟級配改變，有砟道床力學質量降低。針對道砟破碎機理，國內外學者通過道砟顆粒單軸壓碎及道砟集料三軸壓力室內試驗及數值仿真進行了一系列的研究工作。

單軸壓碎室內試驗中，通過對單個道砟施加軸向壓力，使道砟以一定速率發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。嚴穎等[3]研究了道砟破碎等效強度和道砟粒徑之間的關系。單軸壓碎室內試驗能夠直觀地反映道砟破碎宏觀演變過程，但對顆粒內部細觀劣變機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反映道砟破碎過程中顆粒內部應力-應變等細觀特征，還具備初始變量可控、研究成本低等優點。建立道砟顆粒精細化模型是保證離散元仿真準確性的關鍵。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摩擦系數表征道砟顆粒的不規則輪廓。Chen等[5]利用對離散元球體單元的重疊建立了clump顆粒，以此實現對道砟復雜外形的精確模擬。Ngo等[6]將離散元球體單元相互黏結，以此建立了可破碎的cluster道砟模型，該模型能夠同時表征道砟顆粒不規則輪廓和強度。在實現道砟顆粒精細化模擬的基礎上，張徐等[7]、張振超等[8]利用單軸壓碎離散元數值仿真模擬試驗，結合Weibull分析方法研究了加載位置對道砟破碎的影響規律。綜合而言，單軸壓碎試驗主要是針對道砟顆粒的破碎力學特性進行研究，可為高強度道砟顆粒的選型提供一定參考，但與真實有砟線路上的道砟顆粒受力狀態存在差異。

道砟集料三軸壓力試驗通過對道砟集料施加軸壓和圍壓，能夠更為真實的模擬散體道床的受力特征[9]。Aursudkij等[10]利用大型動三軸試驗儀，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律，提出在有砟軌道建設中，建立散體道床圍壓驗收標準，以保證道床質量。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性能的非線性演變規律，并進一步地結合離散元法和有限差分法研究了三軸壓力試驗中道砟顆粒內部應力-應變關系及顆粒間接觸關系等細觀特征[12]。Lu等[13]基于離散單元法建立了三軸試驗數值仿真模型，研究了循環荷載條件下道砟破碎與散體集料沉降之間的關系。殷志祥等[14]基于三軸室內試驗結果，結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模型，實現了低圍壓條件下，對道砟顆粒破碎引起道砟集料級配改變的準確預測。

綜合以上分析可知，國內外學者利用道砟顆粒單軸壓碎試驗和道砟集料三軸壓力試驗，揭示了道砟在軸向壓力及圍壓條件下的破碎機理。結果表明，道砟的材質、干濕程度及圍壓大小對道砟破碎具有較大影響，在有砟線路上應重點關注。

1.1.2 道砟磨耗

道砟顆粒在列車循環荷載作用下會發生相互擠壓和錯動，導致顆粒間的棱角產生摩擦，引起棱角處局部應力集中和破碎，最終導致道砟顆粒的磨耗，進而降低顆粒間的咬合力，且粉化顆粒在道砟間起到“潤滑”的作用，導致道床力學性能進一步降低。國內外學者主要通過洛杉磯磨耗試驗及狄法爾磨耗試驗對道砟磨耗機制進行研究，在此基礎上深入探究道砟磨耗對道床力學性能的影響規律。

洛杉磯磨耗試驗對道砟及鋼球進行旋轉混合磨耗，通過磨耗質量比指標來表征道砟耐磨性能[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，以判斷道砟在試驗過程中的磨耗程度，在此基礎上研究了道砟磨耗與集料臟污之間的關系。Boler等[18]、Okonta等[19]利用洛杉磯磨耗試驗研究了道砟顆粒材質、形狀以及尺寸對磨耗程度的影響規律，結果表明，洛杉磯磨耗率、顆粒尺寸系數及圓球度間具有顯著的相關性，提出基于道砟耐磨性能的道床穩定性統計學模型。Ramunas等[20]利用洛杉磯磨耗率判斷道砟韌性及硬度，在此基礎上評估預測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化數值仿真模型，研究了不同形狀道砟的劣化演變規律，發現相比于片狀道砟，針狀道砟的耐磨性能較差。

狄法爾磨耗試驗在試驗方法上和洛杉磯磨耗試驗相近，主要區別在于試驗樣本級配、磨耗鋼球、篩余量不同。除此之外，狄法爾磨耗試驗更加適用于潮濕環境下道砟耐磨性能的測試。Erichsen等[22]通過狄法爾室內試驗研究了濕顆粒磨耗對集料整體劣化的影響規律。Hasheminezhad等[23]通過狄法爾試驗發現鋼渣具有良好的耐磨性能，因此提出在有砟線路上使用鋼渣替換道砟的建議，同時還能夠實現廢物利用，保護環境。吳將豐[24]結合狄法爾磨耗室內試驗及數值仿真模擬，從多尺度對集料耐磨性能展開研究，發現狄法爾磨耗值隨磨耗次數增加呈幾何級數變大趨勢。

基于已有道砟磨耗機制，國內外學者通過數值模擬與室內試驗相結合的方法，開展了道砟磨耗對道床力學性能影響的深入探究。Rohrman等[25]研究發現，道砟發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，導致在列車荷載作用下道砟集料沉降增大。Kolos等[26]研究發現，道砟顆粒發生磨耗會明顯降低道砟集料的強度，混合使用70%的再生砟及30%的新砟能夠滿足道床力學質量求。

綜合而言，道砟磨耗和顆粒形狀、尺寸、材質具有極大的相關性，在有砟線路上為保證道床穩定性，延長道床使用壽命，應對道砟選型進行重點控制。

1.1.3 研究展望

基于國內外既有研究工作，針對鐵路道砟顆粒劣化問題，可在以下幾方面開展研究：

(1)道砟破碎演化行為的真實模擬。在有砟軌道線路上，道砟破碎主要由軌枕及相鄰顆粒的擠壓作用引起，搗固作業的沖擊作用也會引發大量的道砟顆粒發生破碎。單軸及三軸壓碎試驗能夠有效揭示道砟顆粒破碎力學特征，但不能真實反映有砟線路上道砟破碎力學行為。考慮室內試驗設備及成本限制，建議結合現場試驗及數值仿真模擬，對真實受力條件下道砟顆粒的破碎行為展開研究，進一步揭示實際線路上道砟顆粒破碎機理。

(2)多手段、多指標道砟磨耗行為室內試驗研究。各國的道砟標準中廣泛應用洛杉磯磨耗試驗對道砟的耐磨性能進行評估。真實情況中，道砟顆粒的磨耗行為是在當散體道砟顆粒在沉降穩定，且相對位置固定的條件下，道砟顆粒主要承力接觸點的局部區域往復摩擦所形成的粉化。洛杉磯磨耗試驗中道砟顆粒所發生的磨耗，多是由于道砟在剛性滾筒翻滾過程中的跌落，以及鋼球拍砸所形成的沖擊引起，與真實情況中道砟的磨耗粉化行為相比，具有較大區別。因此，應采用洛杉磯磨耗試驗、干磨試驗等多手段的試驗研究方法對道砟磨耗機理進行研究。

(3)基于劣化后道床級配曲線的道床力學性能評估方法。從工程應用角度來說，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配的形式表現出來。同時，道砟級配的改變會使道床的力學性能產生顯著的變化。因此，基于道砟破碎及粉化的道床服役狀態評估方法，對實現科學養護維修具有重要意義。此外，不同線路的荷載情況往往具有較大差異，目前特級、一級級配未能考慮不同線路情況下的荷載差異。因此，在揭示道砟破碎、粉化機理及影響規律之后，針對不同線路的運營狀況，提出更具針對性的級配曲線具有重要的工程價值。

1.2 散體道床劣化機理

在列車荷載及復雜外部環境的耦合作用下，散體道床易發生沉降及臟污兩種主要劣化現象，致使有砟線路的服役性能降低。本節針對道床沉降及臟污，總結分析國內外研究現狀，提出進一步的研究方向。

1.2.1 道床沉降

在有砟軌道服役過程中，道砟顆粒會發生擠壓和錯動，以及破碎和磨耗，產生道床沉降，進而導致線路平順性降低。針對道床沉降機理，國內外學者通過試驗及數值仿真的手段開展了一系列的研究工作。

試驗研究主要包括現場試驗及室內試驗。循環使用的道砟棱角磨耗較為嚴重，顆粒間的咬合力較差，Indraratna等[27]通過現場試驗研究了循環利用的道砟力學特性，對比分析了散體道床的沉降變化規律。相比于現場試驗，室內試驗能夠大大節省成本，Mcdowell等[28]通過道砟箱室內試驗，研究4種道砟在循環荷載下的沉降變形規律，如圖1所示，發現道砟箱試驗能夠有效反映現場有砟道床的真實力學行為。

圖1 道床沉降試驗道砟箱

有砟道床是承受列車荷載的主體結構，鋼軌承受的動力作用經軌枕傳遞至道床，并在其內部一定范圍內擴散，細觀上引起道砟顆粒的流動，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理的主流方法。Kumar等[29]基于離散單元法建立了有砟道床數值仿真模型，研究了在列車荷載作用下道砟顆粒接觸力的傳遞規律，發現接觸力鏈在枕下以45°擴散。Shi等[30]研究發現，在道砟顆粒間的接觸力自上而下傳遞過程中逐漸衰減，其中，軌枕底部道砟接觸力相對集中，道床底部道砟接觸力較小，道砟顆粒在接觸力的作用下發生流動。Liu等[31]在室內試驗中利用智能道砟捕獲單個道砟顆粒的運動特征，以此分析有砟道床不同區域道砟的流動規律，研究發現，在外荷載作用下道砟顆粒同時發生垂向和橫向位移，引起道床垂向沉降及橫向流變。道床沉降直接影響線路平順性，對行車安全造成嚴重威脅。Qian等[32]建立了有砟道床模型，研究了道砟材質、形狀以及級配對道床整體沉降變形的影響規律，在此基礎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，研究了高速列車荷載條件下，道床細觀受力特征及彈塑性變形規律，結果表明，道砟和基床表層材料會相互入侵，道床沉降相對于軌道整體沉降占比為83.9%～86.8%。Varandas等[34]、Nielsen等[35]建立了車輛-軌道-路基耦合動力學模型，分析了列車荷載作用下空間不同結構的變形規律，實現了對軌道沉降的有效預測。

圖2 道床-路基耦合模型

綜合以上分析可知，國內外學者采用現場試驗、室內試驗以及仿真模擬的方式，揭示了列車循環荷載作用下散體道床的受力及沉降特征，提出了道床沉降預測方法，為有砟軌道的養護維修工作提供了科學的理論依據。

1.2.2 道床臟污

列車通過時，道床內部道砟顆粒間的擠壓錯動會導致磨耗破碎，生成的粉末狀細小顆粒存留在道床內部，產生道床臟污，文獻[36]研究表明，由于上述因素導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，也會加重道床臟污。道床臟污會導致道床穩定性降低，排水性能下降，在雨水作用下容易引發道床板結及翻漿冒泥等病害。因此，探明道床臟污機理是保證軌道結構高平順性及高穩定性的關鍵。

道床臟污準確的量化方法及有效的檢測手段是探究臟污機理的基礎。Selig等[36]最早利用粒徑小于4.750、0.075 mm的細小顆粒質量比作為表征臟污程度的指標FI，該指標能夠有效反映臟污材料含量，但不能考慮臟污對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，以其相對于道床空隙的體積比作為評價道床臟污程度的指標PVC，該指標從空間角度反映了臟污材料對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對道床力學性能產生較大影響，而FI及PVC均不能有效體現。Indraratna等[38]在兩者的基礎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估指標VCI。在檢測手段方面，Al-Qadi等[39]基于時頻分析方法開發雷達檢測GPR技術，可對道床臟污程度、含水率進行有效檢測。同時Anbazhagan等[40]、Fontul等[41]利用該技術對有砟道床的臟污類型及臟污方法進行了有效識別。

基于上述道床臟污評價指標及檢測方法，國內外學者利用試驗及仿真模擬，對道床臟污機理展開了一系列的研究。Huang等[42]通過道砟箱剪切室內試驗對比分析了粉煤灰、黏塑性土、礦物填料對道床抗剪強度的影響規律，發現粉煤灰對道床的劣化影響最明顯，當粉煤灰臟污率到過15%時，道床抗剪強度顯著降低，且道床含水會加快力學性能的衰減速率。TolouKian等[43]通過道砟箱室內直剪試驗，研究了不同含沙量條件下有砟道床力學性能的變化規律，為有砟軌道的清篩作業決策提供有效的理論依據。Wang等[44]利用X射線捕獲道砟顆粒與臟污粉末顆粒間的接觸姿態，以此分析了顆粒間接觸的力學機制，并在此基礎上研究了道床臟污率對道床力學性能的影響規律，并提出了合理的臟污率控制標準。Parsons等[45]研究發現道床臟污率與道床阻力、排水性能之間存在顯著的負相關性。Huang等[46]在室內試驗的基礎上，利用離散單元法進一步研究了粉煤灰臟污對有砟道床強度及穩定性的影響規律，建立了圖3所示剪切離散元模型。徐旸等[47]通過離散元數值仿真模擬研究發現，小粒徑顆粒臟污會對道床抗剪性能產生極大影響。

圖3 剪切離散元模型(單位：m)

綜合而言，經國內外學者的不斷改進，形成了較為完善合理的道床臟污評價指標及檢測方法。在此基礎上，揭示了散體道床臟污機理及道床力學性能衰減規律，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

基于國內外既有研究工作，針對散體道床劣化機理，可在以下幾個方面開展研究：

(1)散體道床累積變形機理及軌面不平順映射關系研究。道床在外荷載作業下會發生沉降變形，累積變形最終以軌面不平順的形式反映出來，并影響列車運行安全。既有研究大多針對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展之間的映射關系。因此，道床物理、力學狀態與軌道幾何狀態之間的變形傳遞規律及作用機理，也是今后研究中有待深入探討的問題。

(2)基于道床劣化機理的道床物理、力學狀態的評估方法。就道床狀態的合理評估而言，單一的動靜態指標無法評估散體道床劣化特性，甚至多個散體道床的動靜態指標仍無法對道床劣化進行準確評估。道床力學狀態變化規律往往由道床的級配、密實度等物理狀態決定，因此僅從道床的力學特性這一狀態參量出發，難以準確把握道床狀態劣化的演變規律。今后的研究工作應重點關注不同服役階段道床力學狀態與物理狀態的關聯性，在揭示不同運營條件下散體道床力學狀態與物理狀態發展規律的基礎上，選擇典型的表征參數、指標及控制標準，從而為實現道床狀態的科學養護維修奠定理論基礎。

(3)道床劣化發展規律及預測。磨耗、臟污、沉降等劣化現象最終會對有砟道床的服役狀態造成影響，而既有劣化預測模型多數只關注道床沉降，應進一步開展基于道床臟污、顆粒破碎程度等道砟劣化引發的道床力學性能退化和道床幾何狀態劣化的耦合分析，從多指標、多因素角度提出道床狀態劣化模型，以期指導道床養護維修及輔助決策。

2 有砟軌道結構設計影響因素及參數優化

2.1 有砟軌道結構設計主要影響因素2.1.1 荷載條件

鐵路行業的飛速發展，列車運行速度及運量的不斷提高，對有砟道床的沖擊作用不斷加強，道床劣化速率不斷加快，威脅行車安全。因此，探明不同荷載形式下道床劣化特征是保證軌道結構良好服役性能，為鐵路行業發展提供重要基礎保障的關鍵所在。對此，國內外學者通過室內試驗及數值仿真展開了一系列研究工作。

室內試驗方面，通過伺服裝置可對道砟箱及三軸試驗的荷載形式進行有效控制。Anderson等[48]通過室內動三軸試驗對比研究了道砟集料在不同荷載作用形式下的差異性，結果表明相對于單調荷載，道砟在循環荷載作用下更易發生破碎劣化。為滿足高速鐵路提速及重載鐵路運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，研究了列車運行速度及軸重對道床累積變形的影響規律，發現道床沉降會隨著荷載作用頻率及幅值的增加而顯著增長。Lackenby等[51]研究發現荷載頻率是道砟破碎的重要影響因素之一，應重點關注線路在提速改造中的道砟顆粒質量狀態。

國內外學者通過室內試驗，在一定程度上揭示了不同荷載形式下道床劣化規律，但受試驗條件限制，室內試驗難以對多種復雜工況進行模擬。例如，部分油壓伺服裝置加載頻率不能超過5 Hz，無法對高速列車荷載進行真實模擬，且室內試驗成本相對較高。數值仿真模擬是彌補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，隨荷載頻率增加發生一定程度的衰減。Huang等[53]研究發現當列車運行速度達到“臨界速度”時，道床的力學性能顯著降低，道床沉降陡增。張徐等[54]利用離散單元法研究了簡諧荷載頻率對有砟道床沉降變形的影響，結果表明，當頻率超過20 Hz時，會引發大量道砟顆粒發生轉動，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，研究結果表明，軌道整體沉降隨列車運行速度的提高及軸重的增加不斷變大，其中，道床沉降相對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，隨著列車運行速度的提高及軸重的增大，道床劣化速率顯著加快，對散體道床質量提出了更高要求，應從道砟材質、級配，軌道構件性能等多方面進行嚴格控制。

2.1.2 下部基礎結構

在行車條件下，散體道床不僅受到上部軌排的動力荷載影響，還受到下部基礎的支撐作用。不同類型線下基礎結構的剛度差異較大，在外荷載作用下會發生不同的動態響應，進而影響基礎對有砟道床的作用，使道床的劣化規律發生改變。針對路基和橋梁兩種不同基礎類型下有砟道床的劣化特征，國內外學者展開一系列的研究工作。

路基剛度相對較小，能夠有效擴散傳遞下來的列車荷載，對道床反力沖擊作用較小。Abadi等[55]通過道砟與路基接觸的數量和面積評判兩者間的接觸狀態，進而研究兩者間的相互作用以及道床的劣化規律。Nimbalkar等[56]對比分析了剛性路基和軟土路基兩種基礎條件下列車荷載對有砟道床的沖擊作用，發現在剛性路基上采用減振墊層能有效減小道砟所受沖擊力，進而延緩道砟劣化。聶志紅等[57]利用有限元與無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力響應，發現道床厚度對道砟振動加速度及動位移影響較大，在考慮經濟性的前提下，增加道床厚度是提高有砟軌道穩定性的有效措施。徐鵬等[58]建立了圖5所示列車-有砟軌道-路基動力學模型，分析了列車荷載作用下散體道床及基床表層的動應力分布特征。

圖5 道床-路基空間耦合模型

橋梁結構較路基而言剛度較大，且橋梁自身在外荷載作用下也會發生顯著的振動響應，進而對散體道床產生附加荷載作用，加速道床劣化。Yan等[59]利用有限元法建立了車輛-軌道-橋梁耦合動力學模型，研究了高速列車運行條件下軌道與橋梁之間的相互作用，結果表明，增大橋墩剛度能夠有效減小梁軌相對位移，進而延緩道床劣化。Flener等[60]針對橋上道床動力響應進行了現場測試，發現道砟豎向振動加速度隨著列車運行速度的提高不斷變大，但一直保持在安全限值內。練松良等[61]對比分析了路橋過渡段軌道結構動力響應的差異，研究結果表明，對于新建有砟軌道，散體道床在橋梁振動附加荷載的作用下會進一步擠壓密實，致使軌道結構剛度進一步增大，引發與路基段之間的剛度不平順，影響列車運行的平穩性及舒適性，建議在橋上有砟軌道設計中考慮軌道結構剛度的演變規律，以延緩道床劣化速率。

綜合分析，國內外學者利用試驗及仿真手段揭示了不同基礎條件下有砟道床的動力響應及劣化特征。相比之下，橋上道床受到的橋梁振動附加荷載作用，會加速道床劣化，在橋梁和有砟軌道結構設計中，應重點關注道床劣化規律，確保橋上行車安全。

2.2 有砟軌道結構關鍵設計參數優化研究2.2.1 有砟道床斷面尺寸優化

有砟道床能起到均勻擴散列車荷載，減緩輪軌的沖擊作用，斷面尺寸會影響道床的穩定性及承載能力。高亮等[62]通過數值仿真模擬研究了道床頂面寬度、道床厚度、邊坡坡度、砟肩堆高對道床橫向阻力的影響規律，提出了道床斷面尺寸的合理取值。文獻[63]用室內試驗手段研究了不同道床斷面尺寸下軌枕受力的變化規律。井國慶等[64]結合室內試驗與數值仿真研究了砟肩堆高對道床橫向阻力的影響規律，并對中歐有砟道床斷面尺寸差異進行了分析。

2.2.2 道砟級配優化

道砟級配對顆粒間的咬合狀態產生顯著影響，致使有砟道床在服役過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估方法，研究了寬粒徑級配與單一粒徑級配對道床沉降的影響規律，發現寬級配道床累積沉降量遠小于單一粒徑的沉降量，可見寬級配道床能有效延緩道床劣化，延長道床使用壽命。隨著列車荷載循環作用次數的累積，道砟不斷發生破碎粉化，再加上外部粉塵入侵，道砟級配中細顆粒含量不斷增大，Indraratna等[66-67]通過室內試驗研究了道砟級配中細顆粒含量對道床力學性能的影響規律，結果表明，細顆粒含量過大是引發有砟道床穩定性及承載能力降低的主要原因之一。徐旸等[68]引入分形理論對道砟級配進行量化分析，研究了道砟級配對道床力學性能的影響規律，發現道砟劣化后細顆粒含量對道床抗剪性能影響較大，在養護維修工作中應重點關注。

2.2.3 軌枕設計與優化

軌枕型式影響軌排與散粒體道砟之間的傳力機制，導致道床劣化程度產生差異。蔡小培等[69]針對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B系列軌枕在橋上有砟軌道的適應性進行了對比分析，發現增大軌枕與道床接觸面積能有效延緩道床變形，但在實際應用中還應考慮經濟性及不同線路質量要求的適用性。Hajime等[70]利用重載列車對梯子式軌枕進行加速碾壓，研究其耐久性能，結果表明，梯子式軌枕能減少砟肩的道砟用量，穩定性更好。Riessberger等[71]通過現場測試發現使用框架型軌枕道床沉降量僅為普通軌枕的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、寬軌枕對高速鐵路橋上有砟道床力學性能的影響規律，發現寬軌枕的受力及穩定性最佳，最適合鋪設于橋上有砟軌道。由于寬軌枕的枕間距過小難以插入搗鎬臂，致使寬軌枕的養護維修工作困難，為解決此技術難題，Plasser[73]研發了在軌枕外側插入的搗固裝置，為寬軌枕的推廣應用提供了基礎保障。

2.3 研究展望

基于國內外既有研究現狀，針對不同運營條件下有砟道床的劣化規律，可從以下幾方面進一步展開研究工作：

(1)不同荷載條件下有砟道床力學狀態的評價體系研究。在既有研究中，國內外學者普遍采用相同的手段和評價體系，主要針對不同荷載條件下有砟道床的力學特性及耐久性進行分析。力學特性主要涉及道床結構力學特性的縱橫向阻力；道砟耐久性能則主要涉及洛杉磯試驗、集料破碎率試驗，評價中基本采用相同的試驗方法、評估參數及指標，對外部荷載條件的差異性以及下部基礎影響的考慮不充分。因此，應對此開展更加系統的研究，并提出差異化的評價方法。

(2)軌枕-散體道床-下部基礎多層異質結構耦合作用機理研究。國內外學者對道床與結構間相互作用的研究多局限于道床的整體變形及動力響應，且理論研究多是從宏觀角度將散體道床在模型中簡化為質量塊，或是僅采用簡單的彈簧阻尼元件對道床進行模擬，并未考慮道床的散體特性，因而無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之間采用線性彈簧-阻尼系統連接，難以真實體現散體道床多層體系之間離散的點面接觸特性。采用這種方法只能對道床進行定性分析，并不能真實反映散體道床的力學特性及現場實際情況。此外，試驗研究的可變干擾因素較多，研究結果不具有廣泛的代表性。

(3)不同荷載及線路條件下有砟軌道力學行為及關鍵設計參數。重載鐵路荷載具有軸重大、頻次低的特點，而高速鐵路荷載具有幅值低、頻次高的特性。因而，針對高速及重載兩種線路條件，應在道砟材質、級配等有砟道床設計參數上體現一定的差異性，以適應線路的荷載特征。此外，重載和高速的功能定位不同，對軌道結構質量及服役性能要求有所差異，如何對不同線路條件下的有砟道床劣化程度進行有效評價，有待進一步研究。

(4)不同線路狀態道床斷面優化研究。隨著我國鐵路行業的飛速發展，貨運量的增加使得列車軸重不斷增大，導致列車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足多樣的內部應力分布特征。客運專線高速運行，致使列車荷載對有砟道床沖擊作用不斷加劇，應力在道床中的擴散范圍及形式產生差異，為滿足高速鐵路高穩定性、高舒適性的要求，道床斷面形式有待進一步優化研究。

3 有砟軌道大機養護維修作業研究

由于散體道床具有隨列車荷載發生累積變形的特性，鐵路運營部門主要采用大型養路機械搗固作業對散體道床進行養護維修。國內外學者主要從大機作業機理及大機評估預測兩方面展開研究。

3.1 大機作業機理

為揭示大機對有砟道床作業機理，明確搗固及穩定作業過程中道砟顆粒受力狀況，進而改善養護維修效果，國內外學者通過試驗及數值仿真模擬開展了大量研究工作。

試驗方面，Douglas等[74]利用道砟箱進行搗固室內試驗，研究了搗固作業對道床沉降和道砟顆粒劣化的影響。Aursudkij等[75]建立有砟軌道試驗平臺，研究了搗固作業對散體道床的破壞效果，發現相比于夾持階段，插入階段道床會發生更為嚴重的破壞。Kumara等[76-77]建立了1∶5的室內縮尺模型，采用視頻監測的手段對道砟顆粒流動趨勢進行了分析，圖6為搗固作業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前后累積變形特性，發現搗固作業不適于臟污程度在30%以上的散體道床。Liu等[78-79]從機械角度研究了搗固作業過程中搗鎬的自振頻率及幾何形狀對搗固效果的影響，但并未充分考慮散體道床的散粒體特性，與真實情況存在一定的差別。

圖6 搗固作業后枕下道砟位移矢量圖

離散單元法是模擬大機作業的主流方法，Tutumluer等[80]利用該方法建立了大機-有砟道床模型，對比分析了搗固作業后不同形狀及材質道砟在的力學特性，研究了散體道床強度的變化規律。Saussine等[81]認為搗鎬振動頻率對搗固作業效果有較大影響，研究了搗固頻率對道床密實度的影響規律，提出了合理的取值范圍。Wang等[82]研究了搗固作業過程中道砟顆粒的運動特征，發現道砟形狀會對顆粒的振動響應有較大影響。劉暢[83]建立了搗鎬-道砟數值仿真模型，研究了插搗深度、振動頻率等作業參數對搗固效果的影響規律。Shi等[84]基于離散單元法與多體動力學耦合建立了大機-有砟道床耦合模型，揭示了大機作業參數與道床密實度、橫向阻力、支承剛度等道床力學性能的內在關聯，提出了大機作業優化參數。伍超[85]建立道床板結模型，分析了搗固作業參數對不同板結程度道床的作用效果，提出適用于工程現場病害的大機作業建議。

3.2 大機評估預測

隨著工程經驗及現場監測數據的累積，國內外學者通過理論計算分析，利用機器學習等先進技術手段對軌道質量進行預測，對大機作業效果進行評價，并基于此制定了合理的養護維修周期。Vale等[86]綜合考慮對大機搗固作業效果影響較大的多方面因素，建立了數學分析模型以優化大機搗固作業流程及作業周期；通過在葡萄牙北部線路上的應用，驗證了模型的有效性及適用性。Andrews等[87]結合軌道劣化特征以及影響養護維修作業的多個因素，建立Petri模型評估了既有線養護維修作業的有效性，并對不同線路狀況的道床力學性能進行合理預測。Liu等[88]考慮線路狀況的復雜性及差異性，對現有搗固裝置進行優化設計，并通過現場道床力學性能的測試評估搗固作業效果，驗證了新型搗固裝置的適用性及合理性。Tan等[89]利用機器學習算法建立了搗固作業有效性的預測系統，提出既有線大機養護維修方案優化建議，使大機能最大程度發揮其作業價值，減少養護維修的費用。楊飛等[90]根據搗固作業前后軌道質量指數的變化規律，提出用大機作業指數表征搗固作業效果，并結合現場工程應用，研究了不同搗固作業模式對道床質量的影響規律。曲建軍等[91]通過建立了灰色非線性系統模型，預測軌道質量指數隨時間的發展規律，為大機養護維修方案設計提供參考。

3.3 研究展望

綜上所述，既有研究中涉及搗固作業機理的理論研究較少，研究發展趨勢主要包括以下三方面：

(1)搗固作業與散體道床真實作用機理及基于道床狀態作業參數優化。在搗固作業與道砟細觀相互作用行為及合理作業參數方面，搗鎬的插搗深度、振動頻率、夾持力等作業參數均是決定道床維修質量的關鍵因素，但目前搗固作業參數大多從機械角度進行設計，對道床狀態考慮較少，且搗固作業本身就會因搗鎬插搗引起道砟顆粒破碎，應針對道床實際狀態，選取不同的搗固作業參數，從而實現道床的“狀態修”。因此，通過數值模擬或室內試驗手段揭示搗固作業的作用機理，并結合軌檢數據等道床狀態指標，對道床服役狀態進行評估，在此基礎上進行搗固作業參數優化是今后研究的主要發展方向。

(2)搗固與動力穩定作業組合匹配機制及參數研究。工程實際中，大機搗固作業之后，為使枕下相對松散的道床達到沉降穩定的狀態，通常需要采用動力穩定進行作業，動力穩定車的作業參數、與搗固作業的組合方式是決定搗固維修作業質量及作業后道床服役狀態的關鍵影響因素，既有研究對此涉及較少，且僅有的研究也多是針對搗固、穩定單項作業參數進行分析。對于兩者組合作業的合理匹配及參數優化研究是今后需要重點關注的內容。

(3)搗固維修作業與列車長期荷載作用下的道床狀態預測、健康管理及輔助決策。散體道床在列車荷載作用下的累積變形與大機搗固作業是一個交替循環的過程，其間必然會伴隨道床狀態劣化。因而不同服役階段散體道床呈現出的累積變形機理不同，既有研究對搗固作業后道床變形機理分析較為欠缺，難以準確評估搗固作業對道床力學狀態的實際改善機制。這也是導致目前大型養路機械作業參數和工藝缺乏科學依據的重要原因。因此，在明確搗固、穩定作業作用機理的基礎上，結合道床作業前后的力學狀態，對道床作業后的服役狀態進行預測、健康管理及輔助決策是我國有砟軌道科學養護維修的發展方向。

4 新型有砟軌道結構研究

為提高道床強度及穩定性，延緩道床劣化，國內外部分有砟軌道線路開始應用聚氨酯、土工格柵技術等輔助措施，其基本原理是通過改善顆粒間的接觸咬合狀態，減少顆粒間的相互錯動，進而減輕顆粒間的磨耗，以達到優化道床力學性能的目的。

4.1 彈性軌枕有砟軌道技術

通過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，能夠減輕軌枕對散體道床的沖擊作用，延緩道床劣化，延長有砟軌道使用壽命。Paix?o等[92]研究了在過渡段使用彈性軌枕對有砟軌道動力響應的影響，研究結果表明，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]通過一系列大型室內試驗，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，發現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，研究了循環荷載下道砟的力學性能，結果表明，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]通過建立車輛-軌道-隧道動力學模型，研究了彈性軌枕對隧道內車輛及隧道自身動力特性的影響，發現彈性軌枕減振效果良好，能有效保證隧道內行車的安全性和平穩性。Gao等[95]采用離散元法建立了彈性軌枕道床和常規道床模型，對比研究了彈性軌枕對顆粒接觸力、軌枕沉降、振動速度和加速度等動態性能指標的影響，結果表明，與傳統軌枕相比，彈性軌枕增加了軌枕的沉降量，同時減小了道床振動和顆粒間的接觸力，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較大接觸力，降低了道床內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

土工格柵能夠有效增強道砟顆粒間的自鎖效應，提高道床橫向穩定性，防止有砟道床不均勻沉降。Brown等[97]利用格柵拉拔室內及現場試驗研究了加筋道床的力學性能，發現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]通過現場試驗對土工格柵有砟道床在列車荷載作用下的沉降、破碎展開研究，結果表明，土工格柵能有效提升道床性能，減緩道床劣化，在此基礎上結合離散單元法，研究了土工格柵對不同臟污程度有砟道床劣化的改善效果[100]，發現土工格柵對清潔道床的加固效果最佳。Chen等[101]通過道砟箱格柵室內及數值仿真試驗，研究了格柵形狀及鋪設位置對加固效果的影響規律，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格柵與道砟顆粒間的摩擦效果，結果表明格柵與道砟顆粒間的摩擦力越大，土工格柵對道床加固效果越好。Fischer等[103]研究土工格柵對不同密實度道床的加固效果，結果表明，土工格柵能明顯改善壓實緊密道床的抗剪性能，對于松散道床的加固效果不明顯。

4.3 砟下墊層技術

道砟墊具有高彈性、高黏性及高阻尼的特性，作為一種鋪設在有砟道床下的柔型結構，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之間的沖擊作用，有效降低道砟磨耗，減少有砟線路運營維護工作量。Costa等[104]采用2.5維有限元-邊界元法建立了車輛軌道動力學模型，分析了砟下墊層剛度、位置和厚度對軌道結構受力特性的影響，發現砟下墊層能夠降低軌道的動力響應并減少傳輸到地面的高頻振動，研究結果表明，將墊層置于底砟下方更能提高整體減振效果。Ngo等[105]通過一系列大型落錘沖擊試驗，研究了再生材料制成的砟下墊層對沖擊荷載的減弱效果，結果顯示，砟下墊層除了減少傳給道砟和其他下部結構部件的能量外，還能將荷載分布在更大的區域，并在更長的時間內衰減荷載，從而降低最大應力，減少道床的永久變形和劣化。譚詩宇等[106]通過建立車輛軌道耦合動力學模型，研究了環境敏感區橋梁地段的軌道砟下墊層對軌道結構和橋梁結構受力特性的影響以及砟下墊層剛度的合理取值，研究發現，砟下墊層對橋梁結構減振效果顯著，其動力響應明顯減小，同時還有利于降低道床振動。郄錄朝等[107]通過建立重載列車與彈性軌道耦合作用模型，分析了砟下墊層對重載鐵路動力特性的影響，提出了重載鐵路砟下墊層設計要求和試驗方法，并通過室內和現場試驗對砟下墊層的使用效果進行評價。

4.4 聚氨酯固化道床

聚氨酯固化技術主要用于曲線地段有砟道床加固及路橋過渡段剛度調整，通過黏結相鄰道砟顆粒，避免了顆粒間的相互錯動，減緩道砟磨耗，進而有效抑制道床劣化。郄錄朝等[108]通過疲勞荷載試驗及凍融試驗研究了聚氨酯固化道床力學特性，結果表明，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定性，能顯著減少有砟道床養護維修工作量。Kennedy[109]建立了等比例道床室內試驗裝置，研究了散粒體道砟粘結對道床的強化效果。Woodward等[110-111]結合現場試驗及數值仿真模擬研究了聚氨酯固化技術對有砟道床力學性能的影響規律，發現采用聚氨酯固化技術能提高40%～50%的道床支承剛度，提出在砟肩噴涂聚氨酯以強化橫向穩定性的道床加固方案。王紅等[112]通過現場試驗研究了聚氨酯對有砟道床的固化機理，提出了重載條件下固化道床的合理參數取值。樓梁偉等[113]通過現場施工分析，研究了在曲線超高地段聚氨酯固化技術施工工藝，提出了較為完整的曲線超高地段聚氨酯固化道床施工作業流程。蔣函珂[114]建立了車輛-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力響應差異，對聚氨酯材料力學參數及澆筑方案設置提供理論支撐。

4.5 研究展望

綜上所述，聚氨酯固化技術、土工格柵、彈性軌枕、砟下墊均能有效提高道床穩定性，減輕道床沉降及顆粒破碎粉化，有效延緩道床劣化。在以下幾個方面可展開進一步研究：

(1)固化材料多元化。有砟道床固化技術的主要目的在于提高道床支承剛度及穩定性，同時避免飛砟病害的產生。不同技術等級及線路狀況的有砟軌道對道床彈性及強度的要求不同，采用單一聚氨酯固化材料不能滿足多樣行車條件及環境狀況需求。因此，固化材料多元化是目前有砟道床固化技術的發展趨勢。

(2)考慮道砟級配及形狀的土工格柵優化研究。土工格柵的加固作用機理主要在于維持道砟顆粒間的接觸咬合狀態，減少顆粒間的相互錯動及重新排列，進而提高道床力學性能，減緩道床劣化。道砟級配及形狀影響顆粒之間的接觸關系以及顆粒與格柵的力學行為，因此對土工格柵的加固效果產生極大影響，針對不同道砟顆粒的格柵形狀及尺寸設計的研究有待進一步深入。

(3)彈性軌枕適用性研究。目前我國彈性軌枕主要應用于橋上有砟軌道，能夠有效減緩列車荷載對散體道床及橋梁振動沖擊作用，延長有砟軌道使用壽命。但彈性軌枕的應用導致橋上有砟軌道剛度大大降低，和路基段產生剛度不平順，增大輪軌作用力，且在列車荷載作用下軌道變形增大，在一定程度上影響列車運行的安全性、舒適性及平穩性。如何科學合理的應用彈性軌枕有待進一步研究。

(4)道砟墊材料優化及長期服役性能研究。目前道砟墊主要采用橡膠原材料，價格相對較高，為使道砟墊在有砟軌道普及應用，還需開發較為經濟的新型材料，以降低有砟軌道建造成本。道砟墊隨著運營時間的累積不斷發生老化，為保證列車運營安全，其長期服役性能有待進一步深入研究。

5 結論

國內外學者針對有砟軌道劣化開展了大量卓有成效的研究工作，本文重點從道砟顆粒劣化、散體道床劣化兩方面分析有砟道床劣化機理，研究了列車荷載及下部基礎兩類運營條件、有砟軌道結構關鍵設計參數對道床劣化的影響，總結了大機養護維修作業及新型軌道結構兩種延緩劣化措施。在對目前國內外學者所取得的代表性成果及存在的問題進行了分析的基礎上，對今后有砟軌道劣化機理及服役狀態控制方面所需要開展的研究工作進行了建議。

(1)有砟道床劣化機理研究。針對道砟顆粒劣化，建議在今后的研究工作中重點關注道砟破碎演化行為的真實模擬；多手段、多指標道砟磨耗及破碎行為室內試驗方法；基于劣化后道床級配曲線的道床力學性能評估方法等內容。針對散體道床劣化，建議在今后的研究工作中重點關注散體道床累積變形機理及軌面不平順映射關系研究，基于道床劣化機理的道床物理、力學狀態的評估方法等內容，道床劣化及發展規律及預測。

(2)有砟軌道結構設計影響因素及部件關鍵參數優化研究。針對有砟軌道結構設計的主要影響因素，建議在今后的研究工作中重點關注不同荷載條件下有砟道床力學狀態的評價體系研究。針對有砟軌道結構關鍵設計參數優化研究，建議重點關注軌枕-散體道床-下部基礎多層異質結構耦合作用機理研究，不同荷載及線路條件下有砟軌道力學行為及關鍵設計參數，不同線路狀態的道床斷面進行優化研究。

(3)有砟軌道大機養護維修作業研究。建議在今后的研究工作中重點關注搗固作業與散體道床真實作用機理及基于道床狀態的作業參數優化，搗固與動力穩定作業的組合匹配機制及參數研究，搗固維修作業與列車長期荷載作用下的道床狀態預測、健康管理及輔助決策。

(4)在型有砟軌道結構研究。建議在今后的研究工作中重點關注固化材料多元化；考慮道砟級配及形狀的土工格柵優化研究；彈性軌枕適用性研究；道砟墊材料優化及長期服役性能研究。