[0001] 本发明涉及轨道交通领域，具体涉及一种装配式弹性固化道床骨料级配设计方法。

[0002] 弹性固化道床作为一种创新的轨道结构，采用聚氨酯发泡材料为核心，它在有砟轨道的散体道床内发泡，填充并固化道砟颗粒间的空隙，形成一个包裹且稳定的结构。这种结构有效避免了道砟颗粒间的硬性接触以及可能产生的错动和滑移，从而显著减缓了道砟
的粉化和劣化过程，极大地增强了道床结构的稳定性和耐久性。聚氨酯固化道床不仅继承
了有砟轨道便于调整的优点，同时也具备了无砟轨道低维护和高稳定性的特性。因此，它作为继有砟轨道和无砟轨道之后的第三种轨道结构形式，已经在轨道建设领域展现了其独特
的优势和价值。

[0003] 级配的选择在道床制备中至关重要，由于级配选择不当，可能会导致道床在使用过程中出现各种问题，如沉降、变形、开裂等，从而增加维护成本和难度。

[0004] 对于聚氨酯固化道床而言，碎石颗粒被聚氨酯材料包裹形成稳定的结构，与传统的散体道床相比具有明显差异，而目前国内外常用的道床级配设计方法，均未考虑聚氨酯
固化道床的这种特殊性。并且，在现有的道砟级配选择过程中，主要聚焦于线路的运行速度或是其年通过总重，这种选择方式往往忽视了道床力学性能、经济性等因素，不能从多角度出发有效的指导聚氨酯固化道床的级配设计，在聚氨酯固化道床的级配选择上的适用程度
较低。

[0005] 综上，现有技术中还缺少专门针对装配式弹性固化道床进行科学合理的级配设计的综合性方法。

[0076] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，诸如术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装
置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护
范围的限制。

[0077] 实施例1：

[0078] 如图1所示的一种装配式弹性固化道床骨料级配设计方法，包括以下步骤：

[0079] S1、建立弹性固化道床的道砟级配分形模型：

[0080]

[0081] rmin＝α×rmax

[0082] 式中：Y(r)为通过筛孔边长为r的方孔筛的道砟颗粒质量百分比；Cf为道床脏污率；D为分维度；rmax为道砟颗粒的粒径最大值；rmin为道砟颗粒的粒径最小值；α为筛孔系数。

[0083] 可以看出，在本实施例的道砟级配分形模型中，确定了颗粒粒径的上下限及分维度后即确定了级配曲线。

[0084] S2、由于弹性固化道床在工厂内装配式生产，枕下一定范围内的颗粒在密闭的容器中振动密实后，再浇注弹性固化材料进行固化，这一近似长方体的固化范围较整个道床
缩小了，既有规范中过大的颗粒粒径可能导致固化块难以密实。因此，首先需要确定颗粒粒径的范围。

[0085] 首先为道砟颗粒设置若干不同的粒径范围：

[0086] 本实施例以最大粒径分别为63mm、56mm、50mm、45mm、40mm、35.5mm、31.5mm，最小粒径分别为16mm、10mm或5mm，共设计10种不同粒径范围的级配，具体设计方案如表1所示：

[0087] 表1

[0088]

[0089]

[0090] S3、将若干不同的粒径范围分别代入所述道砟级配分形模型中，取道床脏污率Cf＝0，并为道砟级配分形模型赋予直线分维度，得到若干级配曲线、定义为第一级配曲线组，如图2所示；其中，所述直线分维度为使得到的级配曲线为直线的分维度；本实施例中，直线分维度为D＝1。

[0091] 通过对比发现，级配A正好属于美国AREMA铁路工程手册24号级配，级配B与美国AREMA铁路工程手册24A号级配相近，级配C～级配G与欧洲Gc RB E级配相近，而级配H、级配I、级配J颗粒粒径较小，与上述各国铁路道砟级配差异较大，而与我国《建设用卵石、碎石》(GB/T 14685‑2022)颗粒级配中的连续级配5‑40相近。

[0092] S4、在第一级配曲线组中筛选最优级配曲线、定义为第一级配曲线，提取第一级配曲线对应的粒径范围；

[0093] S5、将第一级配曲线对应的粒径范围代入所述道砟级配分形模型中，并为道砟级配分形模型设置若干在[‑10,10]区间内的不同的分维度，得到若干级配曲线、定义为第二级配曲线组；

[0094] S6、在第二级配曲线组中筛选最优级配曲线、定义为第二级配曲线，以第二级配曲线作为最终设计结果。

[0095] 实施例2：

[0096] 一种装配式弹性固化道床骨料级配设计方法，在实施例1的基础上，在步骤S4和步骤S5中，均通过如下方法筛选最优级配曲线：

[0097] 一、确定如下评价指标：力学性能指标、耐久性指标、聚氨酯分布均匀性指标、经济性指标和工艺稳定性指标。具体的：

[0098] 所述力学性能指标包括：试件承载力F；

[0099] 所述耐久性指标包括：试件静态模量随荷载作用次数的变化率Km、试件变形稳定后荷载‑位移曲线的斜率Ks、试件卸载后在指定时间内的变形恢复率Rr、能量耗散能力E和协同承载性能Rf；

[0100] 所述聚氨酯分布均匀性指标包括：孔隙率空间分布变异系数Cv；

[0101] 所述经济性指标包括：试件孔隙率ρ；

[0102] 所述工艺稳定性指标包括：聚氨酯的膨胀力Ff。

[0103] 二、基于被筛选的级配曲线，开展弹性固化道床的实物试验和/或仿真模拟，得到各评价指标的值。具体的：

[0104] 1)力学性能指标：基于被筛选的级配曲线制作试件，对试件进行单轴压缩实验，记录荷载‑位移曲线，以试件屈服点的荷载作为试件承载力F；

[0105] 2)各耐久性指标：

[0106] 基于被筛选的级配曲线制作试件；

[0107] 模拟重载工况，以荷载幅值22.5kN，对试件施加总计10万次循环荷载；加载装置如图3所示；

[0108] 期间在每1万次施加循环荷载后，将试件静置1小时、测定静态模量；测定静态模量的方法包括：

[0109] 以1mm/min的速率匀速对试件加载，加载至30kN后卸载至0kN，重复两次；

[0110] 以1mm/min的速率匀速对试件做第三次加载，分别记录加载值和位移曲线，直至加载至30kN；

[0111] 卸载，继续记录卸载后30min的位移；

[0112] 基于第三次加载计算静态模量：

[0113]

[0114] 式中：Ci为静态模量；F1为计算静态模量的上限荷载；F0为计算静态模量的下限荷载；A为加载板面积；D1为加载值为F1时的位移；D0为加载值为F0时的位移。

[0115] 以1万次为单位，绘制静态模量随荷载作用次数的变化曲线，并进行线性拟合，以线性拟合得到的直线斜率作为试件静态模量随荷载作用次数的变化率Km。

[0116] 以1万次为单位，绘制试件竖向变形量随荷载作用次数的变化曲线，以变形稳定后的部分(例如5‑10万次)进行线性拟合，以线性拟合得到的直线斜率作为试件变形稳定后荷载‑位移曲线的斜率Ks。

[0117] 在测定静态模量的过程中，记录卸载后30min后试件的变形恢复量，用变形恢复量除以试件的最大变形量，得到试件卸载后在指定时间内的变形恢复率Rr。

[0118] 此外，能量耗散能力E表征为力‑位移曲线所包围的面积，可参考JGJT101‑2015《建筑抗震试验规程》得到。

[0119] 此外，协同承载性能Rf通过如下方法获得：

[0120] 基于被筛选的级配曲线，建立弹性固化道床的仿真模型；

[0121] 仿真模拟，得到在指定荷载作用下，模型中聚氨酯材料受到的力、碎石骨料受到的力；

[0122] 计算协同承载性能：Rf＝Fp/Fb；式中：Rf为协同承载性能；Fp为聚氨酯材料受到的力；Fb为碎石骨料受到的力。

[0123] 3)聚氨酯分布均匀性指标：

[0124] 基于被筛选的级配曲线，建立弹性固化道床的三维模型，将模型划分为若干个长、宽、高均相同的空间，分别计算每个空间的孔隙率，通过如下公式计算孔隙率空间分布变异系数：

[0125]

[0126] 式中：Cv为孔隙率空间分布变异系数；σ为所有空间的孔隙率的标准差；u为所有空间的孔隙率的平均值；ρi为模型中第i个空间的孔隙率；n为划分的空间总数；

[0127] 4)经济性指标：

[0128] 基于被筛选的级配曲线制作试件，通过下式测量试件孔隙率ρ：

[0129]

[0130] 其中，m颗粒为试件中道砟颗粒的总质量，在实际试件的制作过程中通过称量得到；ρ颗粒为道砟颗粒的容重，由TB/T 2140.2‑2018中方法测试得到；V颗粒为道砟颗粒的体积；V模具为模具的容积。

[0131] 5)工艺稳定性指标：

[0132] 准备模具，在模具顶盖的内壁安装压力传感器；基于被筛选的级配曲线向模具内装填道砟颗粒；向模具内浇注聚氨酯；关闭模具顶盖，记录聚氨酯膨胀过程中所述压力传感器的最大受力作为聚氨酯的膨胀力Ff。

[0133] 三、基于灰色关联度法，计算各级配曲线在所有评价指标下的灰色关联度；

[0134] 首先为n个评价指标和m种级配设置参考数列、比较数列；

[0135] 然后对各指标值进行归一化处理；

[0136] 再计算灰色关联系数；

[0137] 最后计算灰色关联度： 式中：γ(X0(k),Xi(k))代表第k种级配对应的灰色关联度；ωi代表第i种指标的权重系数，满足

[0138] 本实施例中，各指标的权重系数如表2所示：

[0139] 表2权重系数

[0140] 指标 F Km Ks Rr E Rf Cv ρ Ff权重系数 0.1 0.12 0.15 0.15 0.1 0.08 0.1 0.1 0.1

[0141] 四、以灰色关联度最高的方案对应的级配曲线作为最优级配曲线。

[0142] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

[0143] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存
在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以是经由其他部件间接相连。