有砟轨道建设成本低,维护方便,其道床由尺寸和形状各异的道砟颗粒组成,压实后颗粒间能形成稳定的咬合结构,具备良好的承载能力和排水特性,因此被广泛运用于高速铁路中。在大周次列车运行荷载下,道砟颗粒会产生边缘磨耗和颗粒破碎,道床颗粒间因失去有效的咬合作用而发生颗粒错动和重新排列,引起道床沉降加速发展,甚至引发运行安全问题。可见颗粒几何形态和颗粒之间的咬合作用对于道床的长期稳定服役起到关键性作用,运行中的道床颗粒形态的演变规律值得深入研究。本文搭建了一套基于道砟颗粒正交三视图光学成像的颗粒分割与重建系统,引入局部加权回归滤波算法和k折交叉验证算法,并利用混合编程高效、精确地实现了颗粒图像的识别与分割、颗粒边缘的提取与简化、颗粒几何特征参数的计算与三维建模,通过与手工测量的对比验证了其精度和可靠性,实现了颗粒几何形态(棱角性指数、球度、长细比和凸度)的定量化分析。基于该系统开展了应用于道砟颗粒的洛杉矶磨耗试验、有砟轨道全比尺模型试验,在实验室条件下模拟并再现了服役过程中道砟的磨耗劣化状况,通过对道砟颗粒进行几何特征参数量化分析,探究了洛杉矶磨耗、铁路列车真实循环荷载下道砟集料劣化过程中几何形态的变化趋势与演变机理,为评估有砟道床服役期颗粒形态演变和承载能力变化提供了依据。此外,为了进一步展示道砟颗粒形状量化分析的可能应用,本文还开展了不同围压下道砟的静力三轴加载试验,探究了道砟试样偏应力、体积应变、环向应变等的变化规律及围压对道砟剪切强度特性的影响,并据此初步建立了基于颗粒真实形状的铁路道砟静三轴试验三维离散元模型,通过离散元模拟研究揭示了实际颗粒形状和颗粒咬合作用对道砟宏观剪切强度特性在颗粒尺度的影响机理。