本书为“高速铁路基础研究与技术创新丛书”之一。针对高速铁路有砟轨道面临的道砟飞溅问题，本书采用理论与试验分析相结合的方法进行了深入系统地研究。自主设计高速铁路道砟飞溅风洞试验方法，探究了有砟轨道结构宏观流场分布特征、颗粒细观属性对道砟飞溅的影响；采用多孔介质及滑移网格方法构建高速列车、有砟轨道流场分析模型，实现了高速行车条件下有砟轨道复杂气动流场的真实还原；基于流体动力学、离散单元法、多体动力学耦合创建道砟飞溅动力分析模型，分析了列车空气动力、轨道结构振动、大风运营环境等多场耦合作用下道砟飞溅发生及发展机理，研究道床、轨枕设计参数对道砟飞溅的影响，提出了道砟飞溅防治措施，形成了系统化的高速铁路道砟飞溅机理、防治理论分析及应用技术体系。

前言

本书为“高速铁路基础研究与技术创新丛书”之分册，按丛书要求，力图体现高速铁路道砟飞溅机理和防治办法的制高点、前沿性、原创性特色。
高速铁路作为我国自主创新的标志性成果已领跑世界。轨道是高速列车运行的下部基础，其质量状态直接影响列车运营安全。有砟轨道和无砟轨道是高速铁路zui基本的两种轨道结构形式，其中采用碎石道床作为轨下基础的有砟轨道，以其经济合理、弹性良好、维修便捷、减振优良的特点，在世界范围内得到了广泛认可与应用，是国际上高速铁路轨道结构的主要形式。法国、日本、西班牙等高速铁路发达国家均主要采用有砟轨道结构，我国的长大桥梁、地下采空区、高架车站、软黏土地区等特殊地段也大多采用了有砟轨道。
目前，我国高速铁路发展方向已由大规模建设阶段，逐步转变为科学、高效的运营与维护阶段。我国气候、地形的多样性，使得高速铁路有砟轨道的运营与维护工作面临着前所未有的巨大挑战。虽然有砟轨道在世界范围内应用时间较长，积累了相对丰富的建设、运营和维护经验，然而在高速行车条件下，有砟轨道的受力特征发生了显著变化。由于有砟轨道固有的散粒体结构特征，列车高速通过时，在列车空气动力与轨道动力等因素的影响下，会出现道砟颗粒飞离道床，击打轨道、车辆及线路周边设施的情况，即道砟飞溅现象。
道砟飞溅对轨道和车体结构危害显著，增加了线路和车辆的养护维修成本，并威胁行车安全。飞溅道砟若散落在钢轨踏面，在轮轨力作用下会造成钢轨和车轮伤损，加速轨道恶化和车轮扁疤，进而导致轮轨受力改变，严重时甚至会产生脱轨等事故；若击打列车转向架、制动缸、车体等部位，会造成列车伤损，增加不安全因素以及车辆维修成本；会对线路周围设施造成一定的危害，甚至有可能发生人身伤害。道砟飞溅现象制约了高速铁路有砟轨道的进一步发展，使我国新建高速铁路大量采用了建设成本高、工期长、维修难的无砟轨道结构。
高速铁路道砟飞溅现象具有显著的不确定性，且飞溅道砟速度极快，较难通过现场试验手段观测到道砟飞溅，采用传统试验手段不能准确掌握道砟飞溅的发生和发展机理。同时，在列车的高频荷载反复作用下，轨道和下部基础均会产生较大的振动，道砟颗粒在列车风载与轨道动载作用下的稳定性显著降低。此外，我国幅员辽阔，高速铁路线路跨越区域气候条件差异较大，存在如大风等自然条件的影响，均可能诱发道砟飞溅现象。以上诸多因素导致高速铁路道砟飞溅发生和发展机理复杂，而我国在高速铁路道砟飞溅方面的研究存在较多空白。因此，道砟飞溅是高速铁路亟待解决的关键问题之一，有必要对高速铁路道砟飞溅机理及防治措施进行深入研究，保证高铁列车的安全运营，降低线路建造及养护维修成本，为我国高铁“走出去”战略提供重要的技术支撑。
近年来，笔者及团队承担了多项国家自然科学基金
和中国国家铁路集团有限公司
相关重大课题，针对时速300 km及以上有砟轨道设计、运营过程中基础理论方面所面临的若干关键科学问题开展了研究，在道砟飞溅发生机理及防控措施方面积累了大量的研究成果，并作为主要理论支撑方参与了高速铁路散体道床关键参数的设计。这些阶段性研究成果进一步总结凝练后，形成了本书的主要内容。
在开展铁路道砟飞溅机理及防治措施等关键技术的研究中，得到中国国家铁路集团有限公司、国家铁路局有关领导，以及中国铁道科学研究院集团有限公司、各相关高校、设计院、铁路局、工程局等单位的大力支持与帮助，得到国家自然基金的资助。本书由西南交通大学王平主审，课题组肖宏、蔡小培、尹辉、侯博文参与了大量工作，研究生刘畅、赵云哲、蔡航、王向宁、韩易昂等进行了国内外相关研究资料的收集整理并协助开展试验测试等工作；肖一雄、徐萌参与了校订工作。本书还参考了zui近颁布的相关规范及国内外相关文献。在此，对上述单位及个人的支持与帮助一并表示感谢。
因水平有限，书中难免有疏漏、不妥之处，敬请广大读者批评指正。

著者
2022年于北京

目录第1章绪论111高速铁路有砟轨道应用现状1111国外应用现状2112国内应用现状312有砟轨道流场特征研究现状3121流场特征现场试验研究4122流场特征室内试验研究7123流场特征数值仿真研究913道砟飞溅动力特征研究现状1114道砟飞溅防治措施研究现状13第2章高速铁路道砟飞溅风洞试验研究1621道砟飞溅风洞试验设计16211道砟颗粒风洞试验方法及装置16212有砟轨道结构风洞试验设计1822颗粒特征对道砟飞溅影响试验研究21221道砟形状影响分析21222道砟顺风面影响分析25223道砟接触面粗糙度影响分析2723有砟轨道结构流场特征试验研究29231流场风速分布特征30232流场风压分布特征31第3章道砟颗粒细观流场特征精细化分析3731复杂外形道砟颗粒形态特征分析37311道砟颗粒复杂外形获取及分析方法37312道砟样本

高亮，北京交通大学土木建筑工程学院教授、博士生导师、入选“长江学者奖励计划”特聘教授，土建学院院长，道路与铁道工程国家重点学科带头人，轨道工程北京市重点实验室主任，高等学校学科创新引智基地负责人，享受国务院政府特殊津贴。研究方向：轨道工程基础理论与应用研究。主持项目获2017年度国家科学技术进步一等奖，多项成果获中国铁道学会特等奖、中国高校十大科技进展、教育部一等奖、中国专利优秀奖等奖励，个人获何梁何利基金科学与技术进步奖、詹天佑铁道科技大奖、茅以升铁道科技奖、京沪高铁十大创新人物等荣誉。负责团队入选科技部重点领域创新团队，个人入选国家“万人计划”、科技北京百名领军人才等人才计划。 石顺伟，博士，主要从事有砟轨道等相关领域的研究。主持中央高校基本科研业务费项目2项，参加多项国家自然科学基金、国家铁路集团科技研发计划等国家级、省部级课题。在散体道床领域发表SCI/EI论文6篇，申请国家发明专利/实用新型专利十余项，担任知名期刊《ConstructionandBuildingMaterials》审稿人。以第一完成人获得科技奖励“第二届中国城市轨道交通科技创新创业大赛”全国一等奖