本書為“高速鐵路基礎研究與技術創新叢書”之一。針對高速鐵路有砟軌道面臨的道砟飛濺問題，本書采用理論與試驗分析相結合的方法進行了深入系統地研究。自主設計高速鐵路道砟飛濺風洞試驗方法，探究了有砟軌道結構宏觀流場分布特征、顆粒細觀屬性對道砟飛濺的影響；采用多孔介質及滑移網格方法構建高速列車、有砟軌道流場分析模型，實現了高速行車條件下有砟軌道復雜氣動流場的真實還原；基于流體動力學、離散單元法、多體動力學耦合創建道砟飛濺動力分析模型，分析了列車空氣動力、軌道結構振動、大風運營環境等多場耦合作用下道砟飛濺發生及發展機理，研究道床、軌枕設計參數對道砟飛濺的影響，提出了道砟飛濺防治措施，形成了系統化的高速鐵路道砟飛濺機理、防治理論分析及應用技術體系。

前言

本書為“高速鐵路基礎研究與技術創新叢書”之分冊，按叢書要求，力圖體現高速鐵路道砟飛濺機理和防治辦法的制高點、前沿性、原創性特色。
高速鐵路作為我國自主創新的標志性成果已領跑世界。軌道是高速列車運行的下部基礎，其質量狀態直接影響列車運營安全。有砟軌道和無砟軌道是高速鐵路zui基本的兩種軌道結構形式，其中采用碎石道床作為軌下基礎的有砟軌道，以其經濟合理、彈性良好、維修便捷、減振優良的特點，在世界范圍內得到了廣泛認可與應用，是國際上高速鐵路軌道結構的主要形式。法國、日本、西班牙等高速鐵路發達國家均主要采用有砟軌道結構，我國的長大橋梁、地下采空區、高架車站、軟黏土地區等特殊地段也大多采用了有砟軌道。
目前，我國高速鐵路發展方向已由大規模建設階段，逐步轉變為科學、高效的運營與維護階段。我國氣候、地形的多樣性，使得高速鐵路有砟軌道的運營與維護工作面臨著前所未有的巨大挑戰。雖然有砟軌道在世界范圍內應用時間較長，積累了相對豐富的建設、運營和維護經驗，然而在高速行車條件下，有砟軌道的受力特征發生了顯著變化。由于有砟軌道固有的散粒體結構特征，列車高速通過時，在列車空氣動力與軌道動力等因素的影響下，會出現道砟顆粒飛離道床，擊打軌道、車輛及線路周邊設施的情況，即道砟飛濺現象。
道砟飛濺對軌道和車體結構危害顯著，增加了線路和車輛的養護維修成本，并威脅行車安全。飛濺道砟若散落在鋼軌踏面，在輪軌力作用下會造成鋼軌和車輪傷損，加速軌道惡化和車輪扁疤，進而導致輪軌受力改變，嚴重時甚至會產生脫軌等事故；若擊打列車轉向架、制動缸、車體等部位，會造成列車傷損，增加不安全因素以及車輛維修成本；會對線路周圍設施造成一定的危害，甚至有可能發生人身傷害。道砟飛濺現象制約了高速鐵路有砟軌道的進一步發展，使我國新建高速鐵路大量采用了建設成本高、工期長、維修難的無砟軌道結構。
高速鐵路道砟飛濺現象具有顯著的不確定性，且飛濺道砟速度極快，較難通過現場試驗手段觀測到道砟飛濺，采用傳統試驗手段不能準確掌握道砟飛濺的發生和發展機理。同時，在列車的高頻荷載反復作用下，軌道和下部基礎均會產生較大的振動，道砟顆粒在列車風載與軌道動載作用下的穩定性顯著降低。此外，我國幅員遼闊，高速鐵路線路跨越區域氣候條件差異較大，存在如大風等自然條件的影響，均可能誘發道砟飛濺現象。以上諸多因素導致高速鐵路道砟飛濺發生和發展機理復雜，而我國在高速鐵路道砟飛濺方面的研究存在較多空白。因此，道砟飛濺是高速鐵路亟待解決的關鍵問題之一，有必要對高速鐵路道砟飛濺機理及防治措施進行深入研究，保證高鐵列車的安全運營，降低線路建造及養護維修成本，為我國高鐵“走出去”戰略提供重要的技術支撐。
近年來，筆者及團隊承擔了多項國家自然科學基金
和中國國家鐵路集團有限公司
相關重大課題，針對時速300 km及以上有砟軌道設計、運營過程中基礎理論方面所面臨的若干關鍵科學問題開展了研究，在道砟飛濺發生機理及防控措施方面積累了大量的研究成果，并作為主要理論支撐方參與了高速鐵路散體道床關鍵參數的設計。這些階段性研究成果進一步總結凝練后，形成了本書的主要內容。
在開展鐵路道砟飛濺機理及防治措施等關鍵技術的研究中，得到中國國家鐵路集團有限公司、國家鐵路局有關領導，以及中國鐵道科學研究院集團有限公司、各相關高校、設計院、鐵路局、工程局等單位的大力支持與幫助，得到國家自然基金的資助。本書由西南交通大學王平主審，課題組肖宏、蔡小培、尹輝、侯博文參與了大量工作，研究生劉暢、趙云哲、蔡航、王向寧、韓易昂等進行了國內外相關研究資料的收集整理并協助開展試驗測試等工作；肖一雄、徐萌參與了校訂工作。本書還參考了zui近頒布的相關規范及國內外相關文獻。在此，對上述單位及個人的支持與幫助一并表示感謝。
因水平有限，書中難免有疏漏、不妥之處，敬請廣大讀者批評指正。

著者
2022年于北京

目錄第1章緒論111高速鐵路有砟軌道應用現狀1111國外應用現狀2112國內應用現狀312有砟軌道流場特征研究現狀3121流場特征現場試驗研究4122流場特征室內試驗研究7123流場特征數值仿真研究913道砟飛濺動力特征研究現狀1114道砟飛濺防治措施研究現狀13第2章高速鐵路道砟飛濺風洞試驗研究1621道砟飛濺風洞試驗設計16211道砟顆粒風洞試驗方法及裝置16212有砟軌道結構風洞試驗設計1822顆粒特征對道砟飛濺影響試驗研究21221道砟形狀影響分析21222道砟順風面影響分析25223道砟接觸面粗糙度影響分析2723有砟軌道結構流場特征試驗研究29231流場風速分布特征30232流場風壓分布特征31第3章道砟顆粒細觀流場特征精細化分析3731復雜外形道砟顆粒形態特征分析37311道砟顆粒復雜外形獲取及分析方法37312道砟樣本

高亮，北京交通大學土木建筑工程學院教授、博士生導師、入選“長江學者獎勵計劃”特聘教授，土建學院院長，道路與鐵道工程國家重點學科帶頭人，軌道工程北京市重點實驗室主任，高等學校學科創新引智基地負責人，享受國務院政府特殊津貼。研究方向：軌道工程基礎理論與應用研究。主持項目獲2017年度國家科學技術進步一等獎，多項成果獲中國鐵道學會特等獎、中國高校十大科技進展、教育部一等獎、中國專利優秀獎等獎勵，個人獲何梁何利基金科學與技術進步獎、詹天佑鐵道科技大獎、茅以升鐵道科技獎、京滬高鐵十大創新人物等榮譽。負責團隊入選科技部重點領域創新團隊，個人入選國家“萬人計劃”、科技北京百名領軍人才等人才計劃。 石順偉，博士，主要從事有砟軌道等相關領域的研究。主持中央高?；究蒲袠I務費項目2項，參加多項國家自然科學基金、國家鐵路集團科技研發計劃等國家級、省部級課題。在散體道床領域發表SCI/EI論文6篇，申請國家發明專利/實用新型專利十余項，擔任知名期刊《ConstructionandBuildingMaterials》審稿人。以第一完成人獲得科技獎勵“第二屆中國城市軌道交通科技創新創業大賽”全國一等獎