铁路有砟道床劣化研究进展综述

高 亮，徐 旸，杨国涛,3，殷 浩，石顺伟

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院， 北京 100044；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；3.中国国家铁路集团有限公司 科技和信息化部， 北京 100844)

散体道床在列车荷载的长期反复作用下，力学性能逐渐降低，发生道床劣化现象。同时，服役阶段复杂自然环境也会加重道床劣化病害。道床劣化是引起轨道不平顺的关键因素之一，会显著降低列车运行的安全性与平稳性，影响铁路的正常运营，增加养护维修工作量。运营数据显示，由道床劣化引起的铁路线路养护维修费用，占我国有砟轨道线路养护支出的90%以上。

随着列车运行速度的逐步提高，客货运量的不断增大，列车荷载对轨道的冲击作用显著加强，道床劣化现象随之加剧。明确散体道床的劣化机理，开展更为科学的设计、运营及养护维修工作，在保障列车安全、平稳运行的前提下，延长道床使用寿命，是铁路有砟轨道亟待解决的关键问题。然而，有砟道床由散粒体道砟堆积密实而成，道砟与道砟之间、道砟与上下部结构之间的接触状态和传力机制十分复杂。同时，列车荷载的长期反复作用，以及复杂自然环境导致的线路条件差异，对有砟道床劣化机理及延缓劣化措施研究造成了一定困难，国内外学者对此问题开展了大量探索和研究。

本文重点针对有砟道床劣化机理、有砟轨道结构设计影响因素及延缓劣化措施三个方面，对既有相关研究成果进行总结分析，针对既有研究存在的不足，提出今后研究工作需重点关注的问题，以期为有砟轨道劣化机理及防治措施研究提供理论参考。

1 铁路有砟道床劣化机理

1.1 道砟颗粒劣化机理

在外荷载作用下，道砟颗粒易发生破碎及磨耗，致使颗粒间咬合力下降，导致道床力学性能降低。从道砟颗粒劣化角度出发，针对道砟颗粒破碎和磨耗两种颗粒劣化特有形式，总结分析相关研究现状，提出进一步研究方向。

1.1.1 道砟破碎

列车运行时，散体道砟在轨排的冲击、相邻颗粒的挤压作用下，易发生破碎，致使道砟级配改变，有砟道床力学质量降低。针对道砟破碎机理，国内外学者通过道砟颗粒单轴压碎及道砟集料三轴压力室内试验及数值仿真进行了一系列的研究工作。

单轴压碎室内试验中，通过对单个道砟施加轴向压力，使道砟以一定速率发生轴向变形直至破碎[1]。Ergenzinger等[2]利用该方法研究了不同形状道砟的破碎特征。严颖等[3]研究了道砟破碎等效强度和道砟粒径之间的关系。单轴压碎室内试验能够直观地反映道砟破碎宏观演变过程，但对颗粒内部细观劣变机制及受力行为的表征存在不足。相比之下，采用离散单元法不仅能够真实反映道砟破碎过程中颗粒内部应力-应变等细观特征，还具备初始变量可控、研究成本低等优点。建立道砟颗粒精细化模型是保证离散元仿真准确性的关键。Irazbal等[4]采用离散单元法建立了球形道砟颗粒模型，并利用颗粒间的滚动摩擦系数表征道砟颗粒的不规则轮廓。Chen等[5]利用对离散元球体单元的重叠建立了clump颗粒，以此实现对道砟复杂外形的精确模拟。Ngo等[6]将离散元球体单元相互黏结，以此建立了可破碎的cluster道砟模型，该模型能够同时表征道砟颗粒不规则轮廓和强度。在实现道砟颗粒精细化模拟的基础上，张徐等[7]、张振超等[8]利用单轴压碎离散元数值仿真模拟试验，结合Weibull分析方法研究了加载位置对道砟破碎的影响规律。综合而言，单轴压碎试验主要是针对道砟颗粒的破碎力学特性进行研究，可为高强度道砟颗粒的选型提供一定参考，但与真实有砟线路上的道砟颗粒受力状态存在差异。

道砟集料三轴压力试验通过对道砟集料施加轴压和围压，能够更为真实的模拟散体道床的受力特征[9]。Aursudkij等[10]利用大型动三轴试验仪，研究了不同围压条件下，道砟集料变形特征以及道砟破碎规律，提出在有砟轨道建设中，建立散体道床围压验收标准，以保证道床质量。Indraratna等[11]研究了不同脏污及围压条件下道砟颗粒破碎状况，揭示了道床脏污及力学性能的非线性演变规律，并进一步地结合离散元法和有限差分法研究了三轴压力试验中道砟颗粒内部应力-应变关系及颗粒间接触关系等细观特征[12]。Lu等[13]基于离散单元法建立了三轴试验数值仿真模型，研究了循环荷载条件下道砟破碎与散体集料沉降之间的关系。殷志祥等[14]基于三轴室内试验结果，结合土体边界面塑性理论和破碎分形方法，提出可以较好反映道砟受力特征的本构模型，实现了低围压条件下，对道砟颗粒破碎引起道砟集料级配改变的准确预测。

综合以上分析可知，国内外学者利用道砟颗粒单轴压碎试验和道砟集料三轴压力试验，揭示了道砟在轴向压力及围压条件下的破碎机理。结果表明，道砟的材质、干湿程度及围压大小对道砟破碎具有较大影响，在有砟线路上应重点关注。

1.1.2 道砟磨耗

道砟颗粒在列车循环荷载作用下会发生相互挤压和错动，导致颗粒间的棱角产生摩擦，引起棱角处局部应力集中和破碎，最终导致道砟颗粒的磨耗，进而降低颗粒间的咬合力，且粉化颗粒在道砟间起到“润滑”的作用，导致道床力学性能进一步降低。国内外学者主要通过洛杉矶磨耗试验及狄法尔磨耗试验对道砟磨耗机制进行研究，在此基础上深入探究道砟磨耗对道床力学性能的影响规律。

洛杉矶磨耗试验对道砟及钢球进行旋转混合磨耗，通过磨耗质量比指标来表征道砟耐磨性能[15]。Qian等[16]、Guo等[17]采用图像分析法量化道砟尺寸及形状特征，以判断道砟在试验过程中的磨耗程度，在此基础上研究了道砟磨耗与集料脏污之间的关系。Boler等[18]、Okonta等[19]利用洛杉矶磨耗试验研究了道砟颗粒材质、形状以及尺寸对磨耗程度的影响规律，结果表明，洛杉矶磨耗率、颗粒尺寸系数及圆球度间具有显著的相关性，提出基于道砟耐磨性能的道床稳定性统计学模型。Ramunas等[20]利用洛杉矶磨耗率判断道砟韧性及硬度，在此基础上评估预测有砟道床承载能力及使用寿命。徐旸等[21]基于离散单元法建立了洛杉矶磨耗精细化数值仿真模型，研究了不同形状道砟的劣化演变规律，发现相比于片状道砟，针状道砟的耐磨性能较差。

狄法尔磨耗试验在试验方法上和洛杉矶磨耗试验相近，主要区别在于试验样本级配、磨耗钢球、筛余量不同。除此之外，狄法尔磨耗试验更加适用于潮湿环境下道砟耐磨性能的测试。Erichsen等[22]通过狄法尔室内试验研究了湿颗粒磨耗对集料整体劣化的影响规律。Hasheminezhad等[23]通过狄法尔试验发现钢渣具有良好的耐磨性能，因此提出在有砟线路上使用钢渣替换道砟的建议，同时还能够实现废物利用，保护环境。吴将丰[24]结合狄法尔磨耗室内试验及数值仿真模拟，从多尺度对集料耐磨性能展开研究，发现狄法尔磨耗值随磨耗次数增加呈几何级数变大趋势。

基于已有道砟磨耗机制，国内外学者通过数值模拟与室内试验相结合的方法，开展了道砟磨耗对道床力学性能影响的深入探究。Rohrman等[25]研究发现，道砟发生磨耗后颗粒的棱角逐步变得圆滑，使得道砟颗粒间的咬合力显著下降，导致在列车荷载作用下道砟集料沉降增大。Kolos等[26]研究发现，道砟颗粒发生磨耗会明显降低道砟集料的强度，混合使用70%的再生砟及30%的新砟能够满足道床力学质量求。

综合而言，道砟磨耗和颗粒形状、尺寸、材质具有极大的相关性，在有砟线路上为保证道床稳定性，延长道床使用寿命，应对道砟选型进行重点控制。

1.1.3 研究展望

基于国内外既有研究工作，针对铁路道砟颗粒劣化问题，可在以下几方面开展研究：

(1)道砟破碎演化行为的真实模拟。在有砟轨道线路上，道砟破碎主要由轨枕及相邻颗粒的挤压作用引起，捣固作业的冲击作用也会引发大量的道砟颗粒发生破碎。单轴及三轴压碎试验能够有效揭示道砟颗粒破碎力学特征，但不能真实反映有砟线路上道砟破碎力学行为。考虑室内试验设备及成本限制，建议结合现场试验及数值仿真模拟，对真实受力条件下道砟颗粒的破碎行为展开研究，进一步揭示实际线路上道砟颗粒破碎机理。

(2)多手段、多指标道砟磨耗行为室内试验研究。各国的道砟标准中广泛应用洛杉矶磨耗试验对道砟的耐磨性能进行评估。真实情况中，道砟颗粒的磨耗行为是在当散体道砟颗粒在沉降稳定，且相对位置固定的条件下，道砟颗粒主要承力接触点的局部区域往复摩擦所形成的粉化。洛杉矶磨耗试验中道砟颗粒所发生的磨耗，多是由于道砟在刚性滚筒翻滚过程中的跌落，以及钢球拍砸所形成的冲击引起，与真实情况中道砟的磨耗粉化行为相比，具有较大区别。因此，应采用洛杉矶磨耗试验、干磨试验等多手段的试验研究方法对道砟磨耗机理进行研究。

(3)基于劣化后道床级配曲线的道床力学性能评估方法。从工程应用角度来说，道砟颗粒的破碎、粉化是贯穿于有砟轨道全寿命周期中的，道砟颗粒劣化最终以道砟级配的形式表现出来。同时，道砟级配的改变会使道床的力学性能产生显著的变化。因此，基于道砟破碎及粉化的道床服役状态评估方法，对实现科学养护维修具有重要意义。此外，不同线路的荷载情况往往具有较大差异，目前特级、一级级配未能考虑不同线路情况下的荷载差异。因此，在揭示道砟破碎、粉化机理及影响规律之后，针对不同线路的运营状况，提出更具针对性的级配曲线具有重要的工程价值。

1.2 散体道床劣化机理

在列车荷载及复杂外部环境的耦合作用下，散体道床易发生沉降及脏污两种主要劣化现象，致使有砟线路的服役性能降低。本节针对道床沉降及脏污，总结分析国内外研究现状，提出进一步的研究方向。

1.2.1 道床沉降

在有砟轨道服役过程中，道砟颗粒会发生挤压和错动，以及破碎和磨耗，产生道床沉降，进而导致线路平顺性降低。针对道床沉降机理，国内外学者通过试验及数值仿真的手段开展了一系列的研究工作。

试验研究主要包括现场试验及室内试验。循环使用的道砟棱角磨耗较为严重，颗粒间的咬合力较差，Indraratna等[27]通过现场试验研究了循环利用的道砟力学特性，对比分析了散体道床的沉降变化规律。相比于现场试验，室内试验能够大大节省成本，Mcdowell等[28]通过道砟箱室内试验，研究4种道砟在循环荷载下的沉降变形规律，如图1所示，发现道砟箱试验能够有效反映现场有砟道床的真实力学行为。

图1 道床沉降试验道砟箱

有砟道床是承受列车荷载的主体结构，钢轨承受的动力作用经轨枕传递至道床，并在其内部一定范围内扩散，细观上引起道砟颗粒的流动，宏观上则表征为道床整体的沉降。由于有砟道床具有散粒体特性，目前离散单元法是探究道床沉降机理的主流方法。Kumar等[29]基于离散单元法建立了有砟道床数值仿真模型，研究了在列车荷载作用下道砟颗粒接触力的传递规律，发现接触力链在枕下以45°扩散。Shi等[30]研究发现，在道砟颗粒间的接触力自上而下传递过程中逐渐衰减，其中，轨枕底部道砟接触力相对集中，道床底部道砟接触力较小，道砟颗粒在接触力的作用下发生流动。Liu等[31]在室内试验中利用智能道砟捕获单个道砟颗粒的运动特征，以此分析有砟道床不同区域道砟的流动规律，研究发现，在外荷载作用下道砟颗粒同时发生垂向和横向位移，引起道床垂向沉降及横向流变。道床沉降直接影响线路平顺性，对行车安全造成严重威胁。Qian等[32]建立了有砟道床模型，研究了道砟材质、形状以及级配对道床整体沉降变形的影响规律，在此基础上提出了一种可有效减小桥上道床沉降的新型道砟材料。高亮等[33]建立了图2所示道床-路基耦合模型，研究了高速列车荷载条件下，道床细观受力特征及弹塑性变形规律，结果表明，道砟和基床表层材料会相互入侵，道床沉降相对于轨道整体沉降占比为83.9%～86.8%。Varandas等[34]、Nielsen等[35]建立了车辆-轨道-路基耦合动力学模型，分析了列车荷载作用下空间不同结构的变形规律，实现了对轨道沉降的有效预测。

图2 道床-路基耦合模型

综合以上分析可知，国内外学者采用现场试验、室内试验以及仿真模拟的方式，揭示了列车循环荷载作用下散体道床的受力及沉降特征，提出了道床沉降预测方法，为有砟轨道的养护维修工作提供了科学的理论依据。

1.2.2 道床脏污

列车通过时，道床内部道砟颗粒间的挤压错动会导致磨耗破碎，生成的粉末状细小颗粒存留在道床内部，产生道床脏污，文献[36]研究表明，由于上述因素导致的道床脏污占总脏污的70%。此外，外部粉尘及下部路基材料的入侵，也会加重道床脏污。道床脏污会导致道床稳定性降低，排水性能下降，在雨水作用下容易引发道床板结及翻浆冒泥等病害。因此，探明道床脏污机理是保证轨道结构高平顺性及高稳定性的关键。

道床脏污准确的量化方法及有效的检测手段是探究脏污机理的基础。Selig等[36]最早利用粒径小于4.750、0.075 mm的细小颗粒质量比作为表征脏污程度的指标FI，该指标能够有效反映脏污材料含量，但不能考虑脏污对道床排水性能的影响。Feldman等[37]将粒径小于9.5 mm的颗粒视为脏污材料，以其相对于道床空隙的体积比作为评价道床脏污程度的指标PVC，该指标从空间角度反映了脏污材料对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减。然而脏污颗粒的材质对道床力学性能产生较大影响，而FI及PVC均不能有效体现。Indraratna等[38]在两者的基础上考虑了脏污颗粒的孔隙率及干密度，提出了较为全面的评估指标VCI。在检测手段方面，Al-Qadi等[39]基于时频分析方法开发雷达检测GPR技术，可对道床脏污程度、含水率进行有效检测。同时Anbazhagan等[40]、Fontul等[41]利用该技术对有砟道床的脏污类型及脏污方法进行了有效识别。

基于上述道床脏污评价指标及检测方法，国内外学者利用试验及仿真模拟，对道床脏污机理展开了一系列的研究。Huang等[42]通过道砟箱剪切室内试验对比分析了粉煤灰、黏塑性土、矿物填料对道床抗剪强度的影响规律，发现粉煤灰对道床的劣化影响最明显，当粉煤灰脏污率到过15%时，道床抗剪强度显著降低，且道床含水会加快力学性能的衰减速率。TolouKian等[43]通过道砟箱室内直剪试验，研究了不同含沙量条件下有砟道床力学性能的变化规律，为有砟轨道的清筛作业决策提供有效的理论依据。Wang等[44]利用X射线捕获道砟颗粒与脏污粉末颗粒间的接触姿态，以此分析了颗粒间接触的力学机制，并在此基础上研究了道床脏污率对道床力学性能的影响规律，并提出了合理的脏污率控制标准。Parsons等[45]研究发现道床脏污率与道床阻力、排水性能之间存在显著的负相关性。Huang等[46]在室内试验的基础上，利用离散单元法进一步研究了粉煤灰脏污对有砟道床强度及稳定性的影响规律，建立了图3所示剪切离散元模型。徐旸等[47]通过离散元数值仿真模拟研究发现，小粒径颗粒脏污会对道床抗剪性能产生极大影响。

图3 剪切离散元模型(单位：m)

综合而言，经国内外学者的不断改进，形成了较为完善合理的道床脏污评价指标及检测方法。在此基础上，揭示了散体道床脏污机理及道床力学性能衰减规律，为有砟轨道清筛方案的制定提供了有力的理论支撑。

1.2.3 研究展望

基于国内外既有研究工作，针对散体道床劣化机理，可在以下几个方面开展研究：

(1)散体道床累积变形机理及轨面不平顺映射关系研究。道床在外荷载作业下会发生沉降变形，累积变形最终以轨面不平顺的形式反映出来，并影响列车运行安全。既有研究大多针对道床本身的变形特性，尚未充分考虑道床累积变形与轨面不平顺发展之间的映射关系。因此，道床物理、力学状态与轨道几何状态之间的变形传递规律及作用机理，也是今后研究中有待深入探讨的问题。

(2)基于道床劣化机理的道床物理、力学状态的评估方法。就道床状态的合理评估而言，单一的动静态指标无法评估散体道床劣化特性，甚至多个散体道床的动静态指标仍无法对道床劣化进行准确评估。道床力学状态变化规律往往由道床的级配、密实度等物理状态决定，因此仅从道床的力学特性这一状态参量出发，难以准确把握道床状态劣化的演变规律。今后的研究工作应重点关注不同服役阶段道床力学状态与物理状态的关联性，在揭示不同运营条件下散体道床力学状态与物理状态发展规律的基础上，选择典型的表征参数、指标及控制标准，从而为实现道床状态的科学养护维修奠定理论基础。

(3)道床劣化发展规律及预测。磨耗、脏污、沉降等劣化现象最终会对有砟道床的服役状态造成影响，而既有劣化预测模型多数只关注道床沉降，应进一步开展基于道床脏污、颗粒破碎程度等道砟劣化引发的道床力学性能退化和道床几何状态劣化的耦合分析，从多指标、多因素角度提出道床状态劣化模型，以期指导道床养护维修及辅助决策。

2 有砟轨道结构设计影响因素及参数优化

2.1 有砟轨道结构设计主要影响因素2.1.1 荷载条件

铁路行业的飞速发展，列车运行速度及运量的不断提高，对有砟道床的冲击作用不断加强，道床劣化速率不断加快，威胁行车安全。因此，探明不同荷载形式下道床劣化特征是保证轨道结构良好服役性能，为铁路行业发展提供重要基础保障的关键所在。对此，国内外学者通过室内试验及数值仿真展开了一系列研究工作。

室内试验方面，通过伺服装置可对道砟箱及三轴试验的荷载形式进行有效控制。Anderson等[48]通过室内动三轴试验对比研究了道砟集料在不同荷载作用形式下的差异性，结果表明相对于单调荷载，道砟在循环荷载作用下更易发生破碎劣化。为满足高速铁路提速及重载铁路运量不断增加的重大需求，Indraratna等[49]、Al-Saoudi等[50]分别利用道砟箱及三轴试验，研究了列车运行速度及轴重对道床累积变形的影响规律，发现道床沉降会随着荷载作用频率及幅值的增加而显著增长。Lackenby等[51]研究发现荷载频率是道砟破碎的重要影响因素之一，应重点关注线路在提速改造中的道砟颗粒质量状态。

国内外学者通过室内试验，在一定程度上揭示了不同荷载形式下道床劣化规律，但受试验条件限制，室内试验难以对多种复杂工况进行模拟。例如，部分油压伺服装置加载频率不能超过5 Hz，无法对高速列车荷载进行真实模拟，且室内试验成本相对较高。数值仿真模拟是弥补上述不足的有效手段。Tutumluer等[52]利用离散单元法建立了图4所示有砟道床模型，研究结果表明，道床塑性变形随荷载幅值的增加而显著增大，随荷载频率增加发生一定程度的衰减。Huang等[53]研究发现当列车运行速度达到“临界速度”时，道床的力学性能显著降低，道床沉降陡增。张徐等[54]利用离散单元法研究了简谐荷载频率对有砟道床沉降变形的影响，结果表明，当频率超过20 Hz时，会引发大量道砟颗粒发生转动，致使道床累积变形迅速增大。高亮等[33]考虑路基与道床相互作用的影响，研究结果表明，轨道整体沉降随列车运行速度的提高及轴重的增加不断变大，其中，道床沉降相对于路基沉降的占比逐渐增加。

图4 有砟道床离散元模型

综合看来，随着列车运行速度的提高及轴重的增大，道床劣化速率显著加快，对散体道床质量提出了更高要求，应从道砟材质、级配，轨道构件性能等多方面进行严格控制。

2.1.2 下部基础结构

在行车条件下，散体道床不仅受到上部轨排的动力荷载影响，还受到下部基础的支撑作用。不同类型线下基础结构的刚度差异较大，在外荷载作用下会发生不同的动态响应，进而影响基础对有砟道床的作用，使道床的劣化规律发生改变。针对路基和桥梁两种不同基础类型下有砟道床的劣化特征，国内外学者展开一系列的研究工作。

路基刚度相对较小，能够有效扩散传递下来的列车荷载，对道床反力冲击作用较小。Abadi等[55]通过道砟与路基接触的数量和面积评判两者间的接触状态，进而研究两者间的相互作用以及道床的劣化规律。Nimbalkar等[56]对比分析了刚性路基和软土路基两种基础条件下列车荷载对有砟道床的冲击作用，发现在刚性路基上采用减振垫层能有效减小道砟所受冲击力，进而延缓道砟劣化。聂志红等[57]利用有限元与无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刚度条件下的动力响应，发现道床厚度对道砟振动加速度及动位移影响较大，在考虑经济性的前提下，增加道床厚度是提高有砟轨道稳定性的有效措施。徐鹏等[58]建立了图5所示列车-有砟轨道-路基动力学模型，分析了列车荷载作用下散体道床及基床表层的动应力分布特征。

图5 道床-路基空间耦合模型

桥梁结构较路基而言刚度较大，且桥梁自身在外荷载作用下也会发生显著的振动响应，进而对散体道床产生附加荷载作用，加速道床劣化。Yan等[59]利用有限元法建立了车辆-轨道-桥梁耦合动力学模型，研究了高速列车运行条件下轨道与桥梁之间的相互作用，结果表明，增大桥墩刚度能够有效减小梁轨相对位移，进而延缓道床劣化。Flener等[60]针对桥上道床动力响应进行了现场测试，发现道砟竖向振动加速度随着列车运行速度的提高不断变大，但一直保持在安全限值内。练松良等[61]对比分析了路桥过渡段轨道结构动力响应的差异，研究结果表明，对于新建有砟轨道，散体道床在桥梁振动附加荷载的作用下会进一步挤压密实，致使轨道结构刚度进一步增大，引发与路基段之间的刚度不平顺，影响列车运行的平稳性及舒适性，建议在桥上有砟轨道设计中考虑轨道结构刚度的演变规律，以延缓道床劣化速率。

综合分析，国内外学者利用试验及仿真手段揭示了不同基础条件下有砟道床的动力响应及劣化特征。相比之下，桥上道床受到的桥梁振动附加荷载作用，会加速道床劣化，在桥梁和有砟轨道结构设计中，应重点关注道床劣化规律，确保桥上行车安全。

2.2 有砟轨道结构关键设计参数优化研究2.2.1 有砟道床断面尺寸优化

有砟道床能起到均匀扩散列车荷载，减缓轮轨的冲击作用，断面尺寸会影响道床的稳定性及承载能力。高亮等[62]通过数值仿真模拟研究了道床顶面宽度、道床厚度、边坡坡度、砟肩堆高对道床横向阻力的影响规律，提出了道床断面尺寸的合理取值。文献[63]用室内试验手段研究了不同道床断面尺寸下轨枕受力的变化规律。井国庆等[64]结合室内试验与数值仿真研究了砟肩堆高对道床横向阻力的影响规律，并对中欧有砟道床断面尺寸差异进行了分析。

2.2.2 道砟级配优化

道砟级配对颗粒间的咬合状态产生显著影响，致使有砟道床在服役过程中的劣化程度差异很大。邵文杰等[65]基于最小投影的粒径评估方法，研究了宽粒径级配与单一粒径级配对道床沉降的影响规律，发现宽级配道床累积沉降量远小于单一粒径的沉降量，可见宽级配道床能有效延缓道床劣化，延长道床使用寿命。随着列车荷载循环作用次数的累积，道砟不断发生破碎粉化，再加上外部粉尘入侵，道砟级配中细颗粒含量不断增大，Indraratna等[66-67]通过室内试验研究了道砟级配中细颗粒含量对道床力学性能的影响规律，结果表明，细颗粒含量过大是引发有砟道床稳定性及承载能力降低的主要原因之一。徐旸等[68]引入分形理论对道砟级配进行量化分析，研究了道砟级配对道床力学性能的影响规律，发现道砟劣化后细颗粒含量对道床抗剪性能影响较大，在养护维修工作中应重点关注。

2.2.3 轨枕设计与优化

轨枕型式影响轨排与散粒体道砟之间的传力机制，导致道床劣化程度产生差异。蔡小培等[69]针对Ⅲ型轨枕、框架式轨枕、梯子式轨枕、双块式轨枕、宽轨枕及德国B系列轨枕在桥上有砟轨道的适应性进行了对比分析，发现增大轨枕与道床接触面积能有效延缓道床变形，但在实际应用中还应考虑经济性及不同线路质量要求的适用性。Hajime等[70]利用重载列车对梯子式轨枕进行加速碾压，研究其耐久性能，结果表明，梯子式轨枕能减少砟肩的道砟用量，稳定性更好。Riessberger等[71]通过现场测试发现使用框架型轨枕道床沉降量仅为普通轨枕的2/3。肖宏等[72]采用离散单元法研究了Ⅲ型混凝土枕、框架式轨枕、梯子式轨枕、宽轨枕对高速铁路桥上有砟道床力学性能的影响规律，发现宽轨枕的受力及稳定性最佳，最适合铺设于桥上有砟轨道。由于宽轨枕的枕间距过小难以插入捣镐臂，致使宽轨枕的养护维修工作困难，为解决此技术难题，Plasser[73]研发了在轨枕外侧插入的捣固装置，为宽轨枕的推广应用提供了基础保障。

2.3 研究展望

基于国内外既有研究现状，针对不同运营条件下有砟道床的劣化规律，可从以下几方面进一步展开研究工作：

(1)不同荷载条件下有砟道床力学状态的评价体系研究。在既有研究中，国内外学者普遍采用相同的手段和评价体系，主要针对不同荷载条件下有砟道床的力学特性及耐久性进行分析。力学特性主要涉及道床结构力学特性的纵横向阻力；道砟耐久性能则主要涉及洛杉矶试验、集料破碎率试验，评价中基本采用相同的试验方法、评估参数及指标，对外部荷载条件的差异性以及下部基础影响的考虑不充分。因此，应对此开展更加系统的研究，并提出差异化的评价方法。

(2)轨枕-散体道床-下部基础多层异质结构耦合作用机理研究。国内外学者对道床与结构间相互作用的研究多局限于道床的整体变形及动力响应，且理论研究多是从宏观角度将散体道床在模型中简化为质量块，或是仅采用简单的弹簧阻尼元件对道床进行模拟，并未考虑道床的散体特性，因而无法反映出道砟颗粒间的咬合力、接触力等特性。此外，道床与轨排或下部基础之间采用线性弹簧-阻尼系统连接，难以真实体现散体道床多层体系之间离散的点面接触特性。采用这种方法只能对道床进行定性分析，并不能真实反映散体道床的力学特性及现场实际情况。此外，试验研究的可变干扰因素较多，研究结果不具有广泛的代表性。

(3)不同荷载及线路条件下有砟轨道力学行为及关键设计参数。重载铁路荷载具有轴重大、频次低的特点，而高速铁路荷载具有幅值低、频次高的特性。因而，针对高速及重载两种线路条件，应在道砟材质、级配等有砟道床设计参数上体现一定的差异性，以适应线路的荷载特征。此外，重载和高速的功能定位不同，对轨道结构质量及服役性能要求有所差异，如何对不同线路条件下的有砟道床劣化程度进行有效评价，有待进一步研究。

(4)不同线路状态道床断面优化研究。随着我国铁路行业的飞速发展，货运量的增加使得列车轴重不断增大，导致列车荷载在有砟道床的传递深度不断增加，因此，单一道床断面形式不能满足多样的内部应力分布特征。客运专线高速运行，致使列车荷载对有砟道床冲击作用不断加剧，应力在道床中的扩散范围及形式产生差异，为满足高速铁路高稳定性、高舒适性的要求，道床断面形式有待进一步优化研究。

3 有砟轨道大机养护维修作业研究

由于散体道床具有随列车荷载发生累积变形的特性，铁路运营部门主要采用大型养路机械捣固作业对散体道床进行养护维修。国内外学者主要从大机作业机理及大机评估预测两方面展开研究。

3.1 大机作业机理

为揭示大机对有砟道床作业机理，明确捣固及稳定作业过程中道砟颗粒受力状况，进而改善养护维修效果，国内外学者通过试验及数值仿真模拟开展了大量研究工作。

试验方面，Douglas等[74]利用道砟箱进行捣固室内试验，研究了捣固作业对道床沉降和道砟颗粒劣化的影响。Aursudkij等[75]建立有砟轨道试验平台，研究了捣固作业对散体道床的破坏效果，发现相比于夹持阶段，插入阶段道床会发生更为严重的破坏。Kumara等[76-77]建立了1∶5的室内缩尺模型，采用视频监测的手段对道砟颗粒流动趋势进行了分析，图6为捣固作业后枕下道砟位移矢量图，研究了不同脏污程度的散体道床捣固作业前后累积变形特性，发现捣固作业不适于脏污程度在30%以上的散体道床。Liu等[78-79]从机械角度研究了捣固作业过程中捣镐的自振频率及几何形状对捣固效果的影响，但并未充分考虑散体道床的散粒体特性，与真实情况存在一定的差别。

图6 捣固作业后枕下道砟位移矢量图

离散单元法是模拟大机作业的主流方法，Tutumluer等[80]利用该方法建立了大机-有砟道床模型，对比分析了捣固作业后不同形状及材质道砟在的力学特性，研究了散体道床强度的变化规律。Saussine等[81]认为捣镐振动频率对捣固作业效果有较大影响，研究了捣固频率对道床密实度的影响规律，提出了合理的取值范围。Wang等[82]研究了捣固作业过程中道砟颗粒的运动特征，发现道砟形状会对颗粒的振动响应有较大影响。刘畅[83]建立了捣镐-道砟数值仿真模型，研究了插捣深度、振动频率等作业参数对捣固效果的影响规律。Shi等[84]基于离散单元法与多体动力学耦合建立了大机-有砟道床耦合模型，揭示了大机作业参数与道床密实度、横向阻力、支承刚度等道床力学性能的内在关联，提出了大机作业优化参数。伍超[85]建立道床板结模型，分析了捣固作业参数对不同板结程度道床的作用效果，提出适用于工程现场病害的大机作业建议。

3.2 大机评估预测

随着工程经验及现场监测数据的累积，国内外学者通过理论计算分析，利用机器学习等先进技术手段对轨道质量进行预测，对大机作业效果进行评价，并基于此制定了合理的养护维修周期。Vale等[86]综合考虑对大机捣固作业效果影响较大的多方面因素，建立了数学分析模型以优化大机捣固作业流程及作业周期；通过在葡萄牙北部线路上的应用，验证了模型的有效性及适用性。Andrews等[87]结合轨道劣化特征以及影响养护维修作业的多个因素，建立Petri模型评估了既有线养护维修作业的有效性，并对不同线路状况的道床力学性能进行合理预测。Liu等[88]考虑线路状况的复杂性及差异性，对现有捣固装置进行优化设计，并通过现场道床力学性能的测试评估捣固作业效果，验证了新型捣固装置的适用性及合理性。Tan等[89]利用机器学习算法建立了捣固作业有效性的预测系统，提出既有线大机养护维修方案优化建议，使大机能最大程度发挥其作业价值，减少养护维修的费用。杨飞等[90]根据捣固作业前后轨道质量指数的变化规律，提出用大机作业指数表征捣固作业效果，并结合现场工程应用，研究了不同捣固作业模式对道床质量的影响规律。曲建军等[91]通过建立了灰色非线性系统模型，预测轨道质量指数随时间的发展规律，为大机养护维修方案设计提供参考。

3.3 研究展望

综上所述，既有研究中涉及捣固作业机理的理论研究较少，研究发展趋势主要包括以下三方面：

(1)捣固作业与散体道床真实作用机理及基于道床状态作业参数优化。在捣固作业与道砟细观相互作用行为及合理作业参数方面，捣镐的插捣深度、振动频率、夹持力等作业参数均是决定道床维修质量的关键因素，但目前捣固作业参数大多从机械角度进行设计，对道床状态考虑较少，且捣固作业本身就会因捣镐插捣引起道砟颗粒破碎，应针对道床实际状态，选取不同的捣固作业参数，从而实现道床的“状态修”。因此，通过数值模拟或室内试验手段揭示捣固作业的作用机理，并结合轨检数据等道床状态指标，对道床服役状态进行评估，在此基础上进行捣固作业参数优化是今后研究的主要发展方向。

(2)捣固与动力稳定作业组合匹配机制及参数研究。工程实际中，大机捣固作业之后，为使枕下相对松散的道床达到沉降稳定的状态，通常需要采用动力稳定进行作业，动力稳定车的作业参数、与捣固作业的组合方式是决定捣固维修作业质量及作业后道床服役状态的关键影响因素，既有研究对此涉及较少，且仅有的研究也多是针对捣固、稳定单项作业参数进行分析。对于两者组合作业的合理匹配及参数优化研究是今后需要重点关注的内容。

(3)捣固维修作业与列车长期荷载作用下的道床状态预测、健康管理及辅助决策。散体道床在列车荷载作用下的累积变形与大机捣固作业是一个交替循环的过程，其间必然会伴随道床状态劣化。因而不同服役阶段散体道床呈现出的累积变形机理不同，既有研究对捣固作业后道床变形机理分析较为欠缺，难以准确评估捣固作业对道床力学状态的实际改善机制。这也是导致目前大型养路机械作业参数和工艺缺乏科学依据的重要原因。因此，在明确捣固、稳定作业作用机理的基础上，结合道床作业前后的力学状态，对道床作业后的服役状态进行预测、健康管理及辅助决策是我国有砟轨道科学养护维修的发展方向。

4 新型有砟轨道结构研究

为提高道床强度及稳定性，延缓道床劣化，国内外部分有砟轨道线路开始应用聚氨酯、土工格栅技术等辅助措施，其基本原理是通过改善颗粒间的接触咬合状态，减少颗粒间的相互错动，进而减轻颗粒间的磨耗，以达到优化道床力学性能的目的。

4.1 弹性轨枕有砟轨道技术

通过在弹性轨枕枕下添加柔性垫层，可增加有砟轨道弹性的效果，能够减轻轨枕对散体道床的冲击作用，延缓道床劣化，延长有砟轨道使用寿命。Paixão等[92]研究了在过渡段使用弹性轨枕对有砟轨道动力响应的影响，研究结果表明，弹性轨枕增加了轨道的垂向柔度，在一定程度上增大了钢轨垂向位移。Jayasuriya[93]通过一系列大型室内试验，研究了弹性轨枕延缓道砟劣化和减小道床永久变形的效果，发现弹性轨枕的使用减小了道砟受力，从而减少道砟磨耗破碎，延长有砟道床使用寿命。Kumar等[29]建立了弹性轨枕有砟道床模型，研究了循环荷载下道砟的力学性能，结果表明，弹性轨枕垫增大了与道砟的接触面积，从而降低了道砟破碎。蔡小培等[94]通过建立车辆-轨道-隧道动力学模型，研究了弹性轨枕对隧道内车辆及隧道自身动力特性的影响，发现弹性轨枕减振效果良好，能有效保证隧道内行车的安全性和平稳性。Gao等[95]采用离散元法建立了弹性轨枕道床和常规道床模型，对比研究了弹性轨枕对颗粒接触力、轨枕沉降、振动速度和加速度等动态性能指标的影响，结果表明，与传统轨枕相比，弹性轨枕增加了轨枕的沉降量，同时减小了道床振动和颗粒间的接触力，延缓了道床劣化。崔旭浩等[96]采用离散单元法和有限差分法相结合的方法建立了弹性轨枕有砟道床模型，研究表明弹性轨枕可有效降低道床上层道砟颗粒之间出现较大接触力，降低了道床内道砟颗粒间的平均接触力和最大接触力，并且道砟颗粒之间接触力的概率密度随着接触力的增大而逐渐减小。

4.2 土工格栅技术

土工格栅能够有效增强道砟颗粒间的自锁效应，提高道床横向稳定性，防止有砟道床不均匀沉降。Brown等[97]利用格栅拉拔室内及现场试验研究了加筋道床的力学性能，发现土工格栅能够有效减小道床塑性变形，减缓道床劣化速率，延长有砟道床的使用寿命，提出土工格栅的最佳尺寸为60～80 mm。Indraratna等[98-99]通过现场试验对土工格栅有砟道床在列车荷载作用下的沉降、破碎展开研究，结果表明，土工格栅能有效提升道床性能，减缓道床劣化，在此基础上结合离散单元法，研究了土工格栅对不同脏污程度有砟道床劣化的改善效果[100]，发现土工格栅对清洁道床的加固效果最佳。Chen等[101]通过道砟箱格栅室内及数值仿真试验，研究了格栅形状及铺设位置对加固效果的影响规律，指出三角形格栅比矩形格栅的加固效果更好，土工格栅最佳铺设位置为底砟以上50 mm处。Sufian等[102]利用离散单元法研究了不同材质格栅与道砟颗粒间的摩擦效果，结果表明格栅与道砟颗粒间的摩擦力越大，土工格栅对道床加固效果越好。Fischer等[103]研究土工格栅对不同密实度道床的加固效果，结果表明，土工格栅能明显改善压实紧密道床的抗剪性能，对于松散道床的加固效果不明显。

4.3 砟下垫层技术

道砟垫具有高弹性、高黏性及高阻尼的特性，作为一种铺设在有砟道床下的柔型结构，它可以增加道床弹性，减小道床与梁面、隧道仰拱等刚性基础之间的冲击作用，有效降低道砟磨耗，减少有砟线路运营维护工作量。Costa等[104]采用2.5维有限元-边界元法建立了车辆轨道动力学模型，分析了砟下垫层刚度、位置和厚度对轨道结构受力特性的影响，发现砟下垫层能够降低轨道的动力响应并减少传输到地面的高频振动，研究结果表明，将垫层置于底砟下方更能提高整体减振效果。Ngo等[105]通过一系列大型落锤冲击试验，研究了再生材料制成的砟下垫层对冲击荷载的减弱效果，结果显示，砟下垫层除了减少传给道砟和其他下部结构部件的能量外，还能将荷载分布在更大的区域，并在更长的时间内衰减荷载，从而降低最大应力，减少道床的永久变形和劣化。谭诗宇等[106]通过建立车辆轨道耦合动力学模型，研究了环境敏感区桥梁地段的轨道砟下垫层对轨道结构和桥梁结构受力特性的影响以及砟下垫层刚度的合理取值，研究发现，砟下垫层对桥梁结构减振效果显著，其动力响应明显减小，同时还有利于降低道床振动。郄录朝等[107]通过建立重载列车与弹性轨道耦合作用模型，分析了砟下垫层对重载铁路动力特性的影响，提出了重载铁路砟下垫层设计要求和试验方法，并通过室内和现场试验对砟下垫层的使用效果进行评价。

4.4 聚氨酯固化道床

聚氨酯固化技术主要用于曲线地段有砟道床加固及路桥过渡段刚度调整，通过黏结相邻道砟颗粒，避免了颗粒间的相互错动，减缓道砟磨耗，进而有效抑制道床劣化。郄录朝等[108]通过疲劳荷载试验及冻融试验研究了聚氨酯固化道床力学特性，结果表明，与普通碎石道床相比，固化道床具有更好的弹性保持能力及横向稳定性，能显著减少有砟道床养护维修工作量。Kennedy[109]建立了等比例道床室内试验装置，研究了散粒体道砟粘结对道床的强化效果。Woodward等[110-111]结合现场试验及数值仿真模拟研究了聚氨酯固化技术对有砟道床力学性能的影响规律，发现采用聚氨酯固化技术能提高40%～50%的道床支承刚度，提出在砟肩喷涂聚氨酯以强化横向稳定性的道床加固方案。王红等[112]通过现场试验研究了聚氨酯对有砟道床的固化机理，提出了重载条件下固化道床的合理参数取值。楼梁伟等[113]通过现场施工分析，研究了在曲线超高地段聚氨酯固化技术施工工艺，提出了较为完整的曲线超高地段聚氨酯固化道床施工作业流程。蒋函珂[114]建立了车辆-轨道空间耦合模型，研究了高速及重载条件下聚氨酯固化道床与普通散粒体道床的动力响应差异，对聚氨酯材料力学参数及浇筑方案设置提供理论支撑。

4.5 研究展望

综上所述，聚氨酯固化技术、土工格栅、弹性轨枕、砟下垫均能有效提高道床稳定性，减轻道床沉降及颗粒破碎粉化，有效延缓道床劣化。在以下几个方面可展开进一步研究：

(1)固化材料多元化。有砟道床固化技术的主要目的在于提高道床支承刚度及稳定性，同时避免飞砟病害的产生。不同技术等级及线路状况的有砟轨道对道床弹性及强度的要求不同，采用单一聚氨酯固化材料不能满足多样行车条件及环境状况需求。因此，固化材料多元化是目前有砟道床固化技术的发展趋势。

(2)考虑道砟级配及形状的土工格栅优化研究。土工格栅的加固作用机理主要在于维持道砟颗粒间的接触咬合状态，减少颗粒间的相互错动及重新排列，进而提高道床力学性能，减缓道床劣化。道砟级配及形状影响颗粒之间的接触关系以及颗粒与格栅的力学行为，因此对土工格栅的加固效果产生极大影响，针对不同道砟颗粒的格栅形状及尺寸设计的研究有待进一步深入。

(3)弹性轨枕适用性研究。目前我国弹性轨枕主要应用于桥上有砟轨道，能够有效减缓列车荷载对散体道床及桥梁振动冲击作用，延长有砟轨道使用寿命。但弹性轨枕的应用导致桥上有砟轨道刚度大大降低，和路基段产生刚度不平顺，增大轮轨作用力，且在列车荷载作用下轨道变形增大，在一定程度上影响列车运行的安全性、舒适性及平稳性。如何科学合理的应用弹性轨枕有待进一步研究。

(4)道砟垫材料优化及长期服役性能研究。目前道砟垫主要采用橡胶原材料，价格相对较高，为使道砟垫在有砟轨道普及应用，还需开发较为经济的新型材料，以降低有砟轨道建造成本。道砟垫随着运营时间的累积不断发生老化，为保证列车运营安全，其长期服役性能有待进一步深入研究。

5 结论

国内外学者针对有砟轨道劣化开展了大量卓有成效的研究工作，本文重点从道砟颗粒劣化、散体道床劣化两方面分析有砟道床劣化机理，研究了列车荷载及下部基础两类运营条件、有砟轨道结构关键设计参数对道床劣化的影响，总结了大机养护维修作业及新型轨道结构两种延缓劣化措施。在对目前国内外学者所取得的代表性成果及存在的问题进行了分析的基础上，对今后有砟轨道劣化机理及服役状态控制方面所需要开展的研究工作进行了建议。

(1)有砟道床劣化机理研究。针对道砟颗粒劣化，建议在今后的研究工作中重点关注道砟破碎演化行为的真实模拟；多手段、多指标道砟磨耗及破碎行为室内试验方法；基于劣化后道床级配曲线的道床力学性能评估方法等内容。针对散体道床劣化，建议在今后的研究工作中重点关注散体道床累积变形机理及轨面不平顺映射关系研究，基于道床劣化机理的道床物理、力学状态的评估方法等内容，道床劣化及发展规律及预测。

(2)有砟轨道结构设计影响因素及部件关键参数优化研究。针对有砟轨道结构设计的主要影响因素，建议在今后的研究工作中重点关注不同荷载条件下有砟道床力学状态的评价体系研究。针对有砟轨道结构关键设计参数优化研究，建议重点关注轨枕-散体道床-下部基础多层异质结构耦合作用机理研究，不同荷载及线路条件下有砟轨道力学行为及关键设计参数，不同线路状态的道床断面进行优化研究。

(3)有砟轨道大机养护维修作业研究。建议在今后的研究工作中重点关注捣固作业与散体道床真实作用机理及基于道床状态的作业参数优化，捣固与动力稳定作业的组合匹配机制及参数研究，捣固维修作业与列车长期荷载作用下的道床状态预测、健康管理及辅助决策。

(4)在型有砟轨道结构研究。建议在今后的研究工作中重点关注固化材料多元化；考虑道砟级配及形状的土工格栅优化研究；弹性轨枕适用性研究；道砟垫材料优化及长期服役性能研究。