风沙侵入条件下道砟颗粒微观运动与能量演化机制研究及其对沙漠铁路维护的指导意义

针对沙漠铁路道床因风沙侵入导致的硬化及弹性丧失问题，研究人员通过现场动力测试和离散元分析（DEM），构建多尺度三维高保真模型，揭示沙粒填充浓度对轮轨力（增幅19.97%）、振动加速度（轨枕峰值3.89?g）及颗粒动能（临界拐点12%）的影响规律，提出"分层生成-逐步填充"建模方法，为优化沙害铁路养护策略提供理论支撑。

　　

在广袤的沙漠地区，呼啸的风沙不仅是自然奇观，更是铁路工程的隐形杀手。细小的沙粒无孔不入地侵入铁路道砟层，像慢性毒药般改变着道床的力学特性。传统观点认为沙粒填充会单纯增加道床刚度，但最新研究发现，这一过程背后隐藏着更为复杂的微观力学博弈——当沙粒浓度较低时，它们像润滑剂般减少摩擦；而超过临界值后，却会像胶水般锁死道砟颗粒。这种双重作用机制长期困扰着工程界，使得沙漠铁路的养护如同与无形的对手博弈。

为解决这一难题，北京交通大学的研究团队在《Powder Technology》发表了一项突破性研究。他们选择内蒙古乌拉特戈壁的甘泉铁路为试验场，这条年受沙害侵袭超过13公里的重载电气化铁路，为研究提供了天然实验室。通过现场动力测试结合创新的"分层生成-逐步填充"离散元建模技术，团队构建了7种不同含沙浓度（0%-33%）的三维多尺度道砟床模型，首次从能量演化角度揭示了沙粒侵入的微观机制。

关键技术包括：基于现场实测的轨道结构动力特性测试、新型含沙浓度指标计算方法推导、考虑真实颗粒形状的离散元模型（DEM）构建，以及八轴载荷时程曲线（式21）的动态加载分析。其中最具创新性的是通过"layered generation-stepwise filling"方法实现从宏微观的多尺度耦合仿真。

【Test object】
研究选取甘泉铁路清洁段与严重含沙段进行对比测试，采集道砟样本通过筛分试验确定粒径分布，建立含沙浓度与孔隙率的量化关系，为后续数值模拟提供真实边界条件。

【Numerical simulation】
采用DEM方法构建包含4.8万-7.2万个颗粒的高保真模型，其中道砟颗粒通过3D扫描获取真实几何形态，沙粒采用球形简化模型。通过调整接触参数反映不同含沙状态下的摩擦特性，模型经现场数据验证误差小于8%。

【Calculation results analysis】
当含沙浓度达33%时，轮轨垂向力增长19.97%，钢轨动弯应力上升11.59%。振动特性呈现分化：钢轨加速度增加9.21%至6.76?g，而道床加速度反降47.22%至0.76?g。动能分析发现12%为临界浓度——低于该值时沙粒润滑作用使平动/转动动能上升，超过后则因颗粒互锁导致动能下降。势能与含沙浓度呈正相关，33%浓度时势能达996.786?J（较清洁状态增长11.37%）。

【Conclusions】
研究首次量化了沙粒侵入的"润滑-互锁"转变阈值（12%），揭示了道床硬化是沙粒填充、颗粒互锁和能量耗散机制共同作用的结果。提出的含沙浓度指标计算方法和多尺度建模框架，为沙漠铁路的精准维护提供了新工具。Yihao Chi等作者特别指出，传统单纯清理沙粒的做法可能需要修正，针对不同含沙浓度应采取差异化的养护策略。

这项研究的价值不仅在于解开了沙漠铁路道床性能退化的微观谜团，更开创了从能量维度分析颗粒材料力学行为的新范式。正如研究者强调的，当戈壁的风沙再次席卷铁路时，人们或许能通过这些发现，提前预判并阻断道床病害的演化链条。