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有砟轨道是高速铁路的主要轨道结构形式之一，其造价低、振动噪声小、易于维修、适用性较强，在长跨桥或地质不良地区，均多采用有砟轨道结构。有砟轨道以其突出的优点受到世界各国的重视和广泛应用，具有巨大的发展潜力。而随着行车速度的提高，道砟飞溅现象时有发生，道床表层道砟在列车高速通过时会出现飞离道床，击打轨道、车体、线路周边设施的现象，大大增加了线路和车辆的养护维修成本，并危及行车安全，限制了高速铁路有砟轨道的进一步发展。然而，高速铁路道砟飞溅的发生和发展机理极为复杂，其显著的不确定性导致难以采用传统的试验或理论方法开展研究。
本文针对上述问题，通过建立高速铁路道砟飞溅分析模型系统，结合道砟飞溅风洞试验，针对基于道砟颗粒和有砟轨道流场特征的飞砟发生机理，基于道砟飞溅运动行为及动态响应的飞砟发展机理，以及基于道床和轨枕设计参数对道砟飞溅影响的飞砟防治措施，开展了系统性的研究，并提出了科学、合理、有效的道砟飞溅防治建议。具体研究内容和成果如下：
(1)建立了道砟飞溅流场分析模型和动力分析模型，形成高速铁路道砟飞溅分析模型系统。
基于道砟颗粒复杂外形的精确获取、分析和还原方法，建立了道砟颗粒流场分析模型，可分析道砟表面流场强度和分布特征。将有砟道床考虑为多孔介质结构，创建了有砟轨道流场分析模型，基于滑移网格分析方法模拟列车与轨道的相对运动，实现了高速列车通过时轨道流场的真实还原和分析。基于CFD-DEM-MBD耦合分析方法建立了道砟飞溅动力分析模型，能够直观分析风振耦合作用下的道砟飞溅运动行为及动态响应特征，并真实反映有砟道床的道砟颗粒形状、级配等散体特征，轨道流场对道砟颗粒的影响，以及轨枕与道床之间的相互作用关系。
(2)开展了道砟飞溅风洞试验，分析道砟颗粒和有砟轨道的流场特征，并对道砟飞溅分析模型系统进行验证。
基于道砟颗粒风洞试验和有砟轨道风洞试验，分析了颗粒属性、外界因素对道砟飞溅的影响，以及有砟轨道流场的强度和分布特征。采用自主研发的道砟风压测试装置和轨道流场风速测试装置，验证了道砟飞溅分析模型系统的正确性。研究表明，道砟质量越大越不易飞溅，在质量相近的条件下，椭球体道砟最易飞溅，圆球体、长扁球体和扁球体道砟依次次之。距道床表面越高，离线路中心越近，轨道流场风速越大，风速变化幅度越小。由轨头高度至道床表面，流场风速降低63.9%；由线路中心至钢轨附近，流场风速降低62.1%。
(3)采用高速铁路道砟飞溅流场分析模型，研究了基于道砟颗粒和有砟轨道流场特征的道砟飞溅发生机理。
基于道砟颗粒流场分析模型，研究了不同形状、迎风条件、风载强度下道砟颗粒的流场强度和分布特征；基于有砟轨道流场分析模型，研究了高速列车通过前后，轨道结构风压和风速的分布特征和时程特征等流场特征，并对行车速度和横风条件对轨道流场的影响进行分析。研究表明，道砟迎风面风压为正，顶面、侧面和背面风压均为负。列车通过时的轨道结构表面呈现出“正压-负压-负压-正压”的波动特征，车头和车尾通过时道床表面风速最大，头车引起的轨道表面压差高于尾车54.6%。道床中心最大压差是道床边缘的1.4~1.7倍，道心发生道砟飞溅的概率是轨枕中部顶面的95.3%，是砟肩顶端的2.2倍。轨道结构表面最大压差与行车速度的平方成正比，横风风速30m/s时的轨道最大压差高于无横风时的46.7%。
(4)采用高速铁路道砟飞溅动力分析模型，研究了基于道砟运动行为和动态响应特征的道砟飞溅发展机理。
采用基于CFD-DEM-MBD耦合算法的高速铁路道砟飞溅动力分析模型，分别分析了在列车空气动力荷载作用、轨道动力荷载作用、二者耦合作用下的道砟飞溅运动行为和动态响应特征，以及行车速度和列车轴重对道砟飞溅动力特征的影响。研究表明，道砟飞溅主要发生在钢轨内侧道床表面，且在线路中心区域最为集中。仅在轨道动载作用下，有砟道床不会发生道砟飞溅，但轨道动力荷载对道砟飞溅起到了显著的加剧作用，在道砟飞溅机理研究中不可忽略。在风振耦合作用下，发生道砟飞溅的临界车速由仅在列车风载作用时的350km/h降低为300km/h，道砟飞溅数量是仅在列车风载作用时的8.3倍。随着行车速度与列车轴重的提高，飞砟数量逐渐增大。
(5)基于道砟飞溅分析模型系统，研究了道床和轨枕设计参数对轨道流场特征和道砟动力特征的影响，并提出道砟飞溅防治建议。
从有砟轨道流场特征和动力特征的角度，针对道床和轨枕设计参数对道砟飞溅防治效果的影响进行了研究，提出仅通过调整既有轨道参数，即可实现道砟飞溅有效防治的建议。研究表明，降低道床表面高度、堆高高度、边坡坡度均能有效防治道砟飞溅，其中降低道床表面高度效果最佳。轨枕加密、边角圆滑处理也能显著减少道砟飞溅现象。轨枕加长对飞砟防治效果有限，轨枕加高效果更佳。为开展道砟飞溅与劣化病害的综合防治，可在道床表层减少22.4mm~31.5mm的小粒径道砟，在枕底以下恢复铺设22.4mm~63mm的宽级配道砟。在开展道砟飞溅防治工作时，还需综合考虑拟采取措施对线路建设、运营和维护的影响。
本文针对上述问题，通过建立高速铁路道砟飞溅分析模型系统，结合道砟飞溅风洞试验，针对基于道砟颗粒和有砟轨道流场特征的飞砟发生机理，基于道砟飞溅运动行为及动态响应的飞砟发展机理，以及基于道床和轨枕设计参数对道砟飞溅影响的飞砟防治措施，开展了系统性的研究，并提出了科学、合理、有效的道砟飞溅防治建议。具体研究内容和成果如下：
(1)建立了道砟飞溅流场分析模型和动力分析模型，形成高速铁路道砟飞溅分析模型系统。
基于道砟颗粒复杂外形的精确获取、分析和还原方法，建立了道砟颗粒流场分析模型，可分析道砟表面流场强度和分布特征。将有砟道床考虑为多孔介质结构，创建了有砟轨道流场分析模型，基于滑移网格分析方法模拟列车与轨道的相对运动，实现了高速列车通过时轨道流场的真实还原和分析。基于CFD-DEM-MBD耦合分析方法建立了道砟飞溅动力分析模型，能够直观分析风振耦合作用下的道砟飞溅运动行为及动态响应特征，并真实反映有砟道床的道砟颗粒形状、级配等散体特征，轨道流场对道砟颗粒的影响，以及轨枕与道床之间的相互作用关系。
(2)开展了道砟飞溅风洞试验，分析道砟颗粒和有砟轨道的流场特征，并对道砟飞溅分析模型系统进行验证。
基于道砟颗粒风洞试验和有砟轨道风洞试验，分析了颗粒属性、外界因素对道砟飞溅的影响，以及有砟轨道流场的强度和分布特征。采用自主研发的道砟风压测试装置和轨道流场风速测试装置，验证了道砟飞溅分析模型系统的正确性。研究表明，道砟质量越大越不易飞溅，在质量相近的条件下，椭球体道砟最易飞溅，圆球体、长扁球体和扁球体道砟依次次之。距道床表面越高，离线路中心越近，轨道流场风速越大，风速变化幅度越小。由轨头高度至道床表面，流场风速降低63.9%；由线路中心至钢轨附近，流场风速降低62.1%。
(3)采用高速铁路道砟飞溅流场分析模型，研究了基于道砟颗粒和有砟轨道流场特征的道砟飞溅发生机理。
基于道砟颗粒流场分析模型，研究了不同形状、迎风条件、风载强度下道砟颗粒的流场强度和分布特征；基于有砟轨道流场分析模型，研究了高速列车通过前后，轨道结构风压和风速的分布特征和时程特征等流场特征，并对行车速度和横风条件对轨道流场的影响进行分析。研究表明，道砟迎风面风压为正，顶面、侧面和背面风压均为负。列车通过时的轨道结构表面呈现出“正压-负压-负压-正压”的波动特征，车头和车尾通过时道床表面风速最大，头车引起的轨道表面压差高于尾车54.6%。道床中心最大压差是道床边缘的1.4~1.7倍，道心发生道砟飞溅的概率是轨枕中部顶面的95.3%，是砟肩顶端的2.2倍。轨道结构表面最大压差与行车速度的平方成正比，横风风速30m/s时的轨道最大压差高于无横风时的46.7%。
(4)采用高速铁路道砟飞溅动力分析模型，研究了基于道砟运动行为和动态响应特征的道砟飞溅发展机理。
采用基于CFD-DEM-MBD耦合算法的高速铁路道砟飞溅动力分析模型，分别分析了在列车空气动力荷载作用、轨道动力荷载作用、二者耦合作用下的道砟飞溅运动行为和动态响应特征，以及行车速度和列车轴重对道砟飞溅动力特征的影响。研究表明，道砟飞溅主要发生在钢轨内侧道床表面，且在线路中心区域最为集中。仅在轨道动载作用下，有砟道床不会发生道砟飞溅，但轨道动力荷载对道砟飞溅起到了显著的加剧作用，在道砟飞溅机理研究中不可忽略。在风振耦合作用下，发生道砟飞溅的临界车速由仅在列车风载作用时的350km/h降低为300km/h，道砟飞溅数量是仅在列车风载作用时的8.3倍。随着行车速度与列车轴重的提高，飞砟数量逐渐增大。
(5)基于道砟飞溅分析模型系统，研究了道床和轨枕设计参数对轨道流场特征和道砟动力特征的影响，并提出道砟飞溅防治建议。
从有砟轨道流场特征和动力特征的角度，针对道床和轨枕设计参数对道砟飞溅防治效果的影响进行了研究，提出仅通过调整既有轨道参数，即可实现道砟飞溅有效防治的建议。研究表明，降低道床表面高度、堆高高度、边坡坡度均能有效防治道砟飞溅，其中降低道床表面高度效果最佳。轨枕加密、边角圆滑处理也能显著减少道砟飞溅现象。轨枕加长对飞砟防治效果有限，轨枕加高效果更佳。为开展道砟飞溅与劣化病害的综合防治，可在道床表层减少22.4mm~31.5mm的小粒径道砟，在枕底以下恢复铺设22.4mm~63mm的宽级配道砟。在开展道砟飞溅防治工作时，还需综合考虑拟采取措施对线路建设、运营和维护的影响。