基于合成全波形和小波去噪技术的地震源定位深度学习方法

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Deep learning for the localization of seismic sources based on synthetic full waveform and wavelet de-noising

高速铁路道砟层在列车动载下的液化机理及耦合DE-FE模型研究。摘要：通过耦合离散元-有限元模型分析高速列车载荷下道砟层液化机制，发现波传播导致道砟不同区域振动异步，削弱结构整体强度，底部缺乏侧向支撑引发中心道砟外移，加速永久变形累积。研究构建了包含路基的2D耦合模型，验证了该模型能准确捕捉道砟粒子迁移规律和结构破坏模式。

　　本研究聚焦于高速列车荷载下道砟层的流化现象，旨在揭示其在微观尺度上的作用机制。随着铁路运输技术的不断发展，对轨道结构的承载能力提出了更高要求，尤其是对高速列车的运行速度和安全性的保障。传统的道砟轨道结构在面对高速列车时，面临着一系列挑战，如道砟层的不稳定性、承载能力下降以及轨道平顺性的破坏等。因此，深入理解道砟层在高速列车作用下的行为特征，对于轨道结构的优化设计、施工工艺的改进以及维护策略的制定具有重要意义。

道砟层作为轨道结构的重要组成部分，其主要功能是将列车荷载均匀传递给路基，同时提供轨道的横向支撑和减震作用。然而，在高速列车频繁运行的情况下，道砟层容易发生流化现象。流化是指在外部荷载作用下，原本静止或缓慢流动的颗粒物质表现出类似流体的特性，从而导致结构性能的显著变化。在道砟轨道中，流化现象可能引发颗粒之间的相对滑动和位移，削弱轨道的整体稳定性，增加轨道变形的风险，最终影响列车运行的安全性和舒适性。

为了更准确地模拟高速列车荷载下道砟层的流化行为，本研究提出了一种耦合离散元法（DEM）与有限元法（FEM）的混合建模方法。该方法结合了DEM在描述颗粒间相互作用方面的优势，以及FEM在处理连续介质力学问题上的高效性。通过将道砟层建模为由多边形颗粒组成的离散系统，而将道砟层下方的垫层和路基建模为连续介质，从而在宏观与微观尺度之间建立了有效的联系。这种建模方式不仅能够捕捉道砟颗粒在荷载作用下的动态行为，还能够考虑垫层和路基的振动响应，为研究道砟流化提供了更为全面的视角。

在模型构建过程中，道砟层的颗粒被模拟为具有特定形状和尺寸的离散单元，而道砟层下方的垫层和路基则采用有限元方法进行建模。这种分层建模策略使得研究者能够独立分析各层材料的力学行为，同时关注其相互作用对整体轨道结构的影响。此外，模型中的道砟颗粒被赋予一定的质量和刚度特性，以模拟其在列车荷载下的运动轨迹和变形模式。通过引入阻尼系数，模型还能够模拟颗粒在振动过程中的能量耗散行为，从而更真实地再现道砟层在高速列车作用下的动态响应。

为了验证模型的有效性，本研究将耦合DE-FE模型与已有的全尺寸物理模型试验结果进行了对比分析。这些试验是在浙江大学开发的一种新型高速铁路测试装置中进行的，该装置包括一个长15米、宽5米、高6米的模型箱和一套由八台伺服液压执行器组成的高频振动阵列。通过将模型箱内的道砟层与实际轨道结构进行相似比缩放，研究人员能够模拟高速列车运行时对道砟层产生的冲击力和振动效应。试验结果表明，高速列车荷载确实会导致道砟颗粒的剧烈运动，从而引发流化现象。而耦合DE-FE模型的仿真结果与试验数据高度吻合，证明了该模型在模拟道砟流化行为方面的准确性和可靠性。

研究还发现，道砟层的流化行为主要由轨道结构内部的波传播所引发。在高速列车荷载作用下，轨道结构中的振动波会沿着轨道纵向传播，并在道砟层中形成复杂的应力分布。这种振动波导致道砟颗粒在不同区域产生异步振动，进而破坏颗粒间的接触网络，降低轨道的整体承载能力。此外，道砟层的自由端区域由于缺乏有效的横向支撑，更容易发生颗粒的向外迁移，进一步加剧了轨道变形的程度。因此，道砟层的流化现象不仅与颗粒间的相互作用有关，还受到轨道结构边界条件的影响。

在高速列车荷载作用下，道砟层的流化行为具有明显的非线性和时变特性。这种行为表现为颗粒的快速位移和变形累积，尤其是在列车速度较高时，道砟层的流化效应更加显著。研究发现，道砟颗粒在流化过程中表现出类似流体的流动性，导致其无法有效维持原有的结构形态。这种现象不仅降低了轨道的承载能力，还可能引发轨道沉降、轨面不平顺等问题，从而对列车运行的安全性构成威胁。

为了进一步探究道砟流化现象的机理，本研究对不同列车速度下的道砟层行为进行了数值模拟。结果表明，在低速列车运行时，道砟层的变形主要表现为局部的颗粒移动和接触力的重新分布，而不会出现明显的流化现象。然而，随着列车速度的提高，道砟层内部的振动强度显著增强，导致颗粒之间的相互作用发生变化，从而引发流化行为。高速列车运行时，道砟层中的振动波传播更加剧烈，颗粒间的接触力被削弱，颗粒之间的相对运动更加频繁，最终导致道砟层的整体稳定性下降。

此外，研究还发现，道砟层的流化行为受到多种因素的影响，包括颗粒的几何形状、颗粒间的摩擦特性、轨道结构的边界条件以及列车运行速度等。例如，道砟颗粒的不规则形状和较高的表面粗糙度有助于增强颗粒间的摩擦力，从而延缓流化现象的发生。然而，当列车速度增加时，这种摩擦力的作用被振动效应所抵消，导致颗粒更容易发生位移和变形。因此，在设计和维护道砟轨道时，需要综合考虑这些因素，以减少流化现象对轨道结构的不利影响。

本研究的创新之处在于，首次将耦合DE-FE方法应用于道砟轨道的流化行为研究。通过构建一个完整的道砟层截面模型，研究人员能够更全面地分析道砟颗粒在高速列车荷载下的运动轨迹和变形模式。与传统的实验方法相比，该模型能够提供更丰富的数据，揭示道砟层内部的微观机制。同时，该模型也能够模拟道砟层下方垫层和路基的振动响应，从而更真实地再现轨道结构在高速列车作用下的整体行为。

本研究的结论表明，道砟层在高速列车荷载下的流化现象是轨道结构失效的重要原因之一。通过建立耦合DE-FE模型，研究人员能够深入理解流化现象的形成机制，并为轨道结构的优化设计提供理论依据。研究还指出，道砟层的流化行为具有显著的速度依赖性，随着列车速度的增加，流化效应更加明显。因此，在高速铁路的设计和施工过程中，必须充分考虑道砟层的动态响应特性，采取有效的措施来增强道砟层的稳定性，减少流化现象的发生。

总的来说，本研究通过耦合DE-FE方法，为道砟轨道的流化行为研究提供了新的思路和技术手段。这一方法不仅能够有效模拟道砟层在高速列车作用下的动态行为，还能够揭示颗粒间相互作用的微观机制，从而为轨道结构的优化设计和维护策略的制定提供科学依据。未来的研究可以进一步拓展该模型的应用范围，例如引入三维建模技术，以更精确地模拟道砟颗粒在轨道纵向方向上的迁移行为。此外，还可以结合更多的实验数据，对模型进行进一步的优化和校准，以提高其在实际工程中的适用性。