有砟轨道是铁路轨道结构的主要形式之一，已在铁路系统中得到广泛应用[[1], [2], [3], [4]]。轨枕铺设在道砟床上，通过扣件与钢轨连接。它在承受列车荷载并将其传递至道砟床方面起着至关重要的作用[[5], [6], [7], [8]]。然而，随着运输需求的增长，更高的轴重和更快的列车速度已超出原始轨枕的承载能力。在反复的列车荷载作用下，轨枕常常出现裂缝、压碎等形式的失效[[9], [10], [11]]。这导致轨道不平顺，对运营安全构成严重威胁[12,13]。
轨枕更换是解决轨枕失效的一种有效且广泛应用的方法。通过更换失效的轨枕来恢复轨道的承载能力[[14], [15], [16]]。凭借其高效性，轨枕更换机已成为首选方案，如图1所示。该设备首先移除旧轨枕，随后由工人协助定位新轨枕。最后，它从旧轨枕侧面挖掘道砟颗粒并回填以支撑新轨枕[17]。值得注意的是，轨枕更换机的挖掘作业往往会引发道砟的强烈机械响应，导致大量道砟颗粒磨损和破碎，从而影响道砟床的力学性能。更糟糕的是，目前尚无针对此问题的研究，意味着尚未为轨枕更换提供任何有价值的指导。因此，理解道砟在轨枕更换机冲击下的机械响应，并找到最大限度减少道砟损伤的方法，已成为一项紧迫的工程挑战。
在其他机械作业背景下，颗粒在机械冲击下的机械响应已引起广泛关注[[18], [19], [20], [21]]。Shi等[22]使用DEM-MBD方法构建了捣固-有砟轨道耦合模型，通过分析接触力和动能揭示了捣固过程中道砟的机械响应。Yi等[23]使用DEM模拟了砂芯桩的插入过程，表明设备的压缩作用逐渐加剧了颗粒响应。Liao等[24]关注了弹丸冲击颗粒床的过程，并报道了在弹丸附近的颗粒间接触力最大，且随距离增加而减小。Wang等[25]进一步表明，颗粒床包含承载结构，在过强冲击下会坍塌，导致机械响应下降。基于这些发现，研究人员进一步探讨了不同机械作业过程中操作参数与颗粒机械响应之间的关系。部分研究者关注机械的推进速度。Liu等[26]研究了煤炭切割，发现较高的牵引速度会增强机械-煤相互作用并增加牵引阻力。Benmebarek等[27]在其桩基贯入研究中得出了类似的结论，认为贯入阻力与贯入速度成正比。此外，Shi等[28]分析了捣固过程，指出深度对颗粒的机械响应具有重要影响。他们发现较大的捣固深度可以增加接触力和冲击能。Jin等[29]研究了挖掘深度对土体响应的影响，发现在一定范围内接触力与挖掘深度呈正相关，而过大的深度会导致颗粒迁移和空腔形成，从而降低接触力。总之，这些研究表明，机械冲击可以引发强烈的颗粒响应，而优化操作参数是减轻这些响应的有效手段。
颗粒在机械冲击下的强烈机械响应往往伴随着严重的颗粒损伤[[30], [31], [32], [33]]。为模拟不同机械作业中的颗粒损伤，许多研究采用键合颗粒模型（BPM）[[34], [35], [36]]，该模型将颗粒表示为由可断裂键连接的小型元素聚集体；键的断裂表示颗粒破碎[37,38]。Shi等[39]研究了捣固不同阶段的断裂情况，发现捣固头的插入导致了最剧烈的颗粒破碎，尤其是在枕空区域。Liu等[40]研究了旋回破碎机中的岩石破碎，分析了水平刚度和阻尼如何影响机械振动，并提出提高生产率的运行参数。Kong等[41]模拟了多进料颗粒的气力输送，表明颗粒破碎比随输送速度的增加而上升。上述研究阐明了颗粒破碎机理，并为不同机械作业提供了宝贵的指导[42]。然而，BPM中的键断裂是瞬时发生的。当冲击不足以断裂键时，模型无法累积亚临界损伤。因此，Tavares [43,44]和King [45]提出了Tavares模型，该模型基于连续介质损伤力学和随机颗粒替换原理。通过将冲击能与断裂能联系起来，该模型对颗粒损伤进行了真实描述，并考虑了破碎和内部损伤两个方面[46,47]。目前，该模型已广泛应用于采矿、农业及相关领域[[48], [49], [50], [51]]。与上述模型相比，Tavares模型对铁路更具实际应用意义，因为它能够同时捕捉道砟的破碎和内部损伤。一方面，道砟破碎会改变道砟的级配并降低道砟床的力学性能[[52], [53], [54]]；另一方面，道砟的内部损伤使其变得更脆，在服务过程中更容易破碎，进一步损害其使用寿命[55,56]。然而，Tavares模型在铁路问题中的应用很少。因此，大多数现有的铁路维护研究仅针对可观察到的破碎来优化操作参数，而忽略了内部损伤；机械作业过程中道砟的损伤行为尚未得到全面评估。
为弥补现有研究的空白，本文通过数值模拟研究了轨枕更换过程中道砟的机械响应和损伤行为。采用DEM-MBD耦合方法建立了轨枕更换机-有砟轨道耦合模型。值得注意的是，模型中引入了Tavares模型，从破碎和内部损伤两个方面表征道砟的损伤行为，并通过单轴压缩试验和落锤试验验证了其准确性。利用该耦合模型，揭示了轨枕更换过程中道砟的机械响应和损伤行为。在此基础上，评估了插入速度和插入深度的影响，并确定了最佳操作参数。这些发现为现场作业提供了指导，并最大限度地减少了轨枕更换过程中的道砟损伤。
本文的结构如下。第2节介绍了使用DEM-MBD方法构建轨枕更换机-有砟轨道耦合模型的过程以及Tavares模型的原理。此外，还呈现了耦合模型的实验验证。第3节分析了轨枕更换过程中道砟的机械响应和损伤行为。在此基础上，第4节评估了操作参数的影响并提供了推荐值。最后，第5节给出了结论。研究流程图总结于图2。
