幾百年來，雖然客貨列車運載量和速度都有提高，但有砟軌道設計幾乎保持不變。從本質上講，鐵路軌道是分層基礎，由路基之上壓實底砟層或覆蓋層和底砟層之上的粗顆粒介質層（通常是硬質巖石道砟）組成。鋼軌鋪設在木枕或混凝土枕上并將動力傳遞給主要承載層———道砟。只能通過兩側砟肩和軌枕之間枕心道砟處施加圍壓來減少列車通過時道砟橫向變形，與碎石力學常識不同的是，道砟層幾乎是一個無側限承載層。
道砟在缺乏足夠約束條件下的橫向移動，粉塵污染，翻漿冒泥形成的土顆粒（軟黏土和粉土在飽和條件下液化）和貨運列車掉落的煤炭以及道砟劣化（細顆粒遷移向下）都是造成鐵路維修費用高昂的主要原因。為了改善鐵路道砟狀況，澳大利亞、北美和西歐一直致力于研究道砟開采環境控制技術、舊道砟回收與再利用技術，同時在鐵路養護維修方面投入重點項目研究資金，用以尋找降低維修成本、延長維修周期的方法，以上已成為大多數運營繁忙的鐵路公司的優先事項。在本書中，作者也強調了土工合成材料對回收再利用道砟的改善作用。據預計，土工合成材料的使用將促進廢舊道砟的再利用，減少石料開采并節省寶貴的土地資源。
盡管目前對砂石、公路路基及碎石（壩）的研究十分廣泛，但是對于單調加載條件下的道砟特性研究較少，而研究循環荷載條件下道砟特性的文獻更是鳳毛麟角。過去的數十年來，在設計中道砟層被鐵路工程師認為是“彈性”的，而只是在近期，高速列車荷載條件下道砟特性被認為初始呈現彈塑性狀態，當出現顯著劣化包括破碎情況時道砟為完全塑性狀態。維護期間對道砟的觀測表明，劣化導致道砟粒徑產生變化。軌道沉降和側向變形可作為評估指標，用以研究循環加載后道砟的塑性變形。
在本書中，作者通過大型試驗設備，即圓柱和棱柱三軸試驗儀，來研究道砟的力學特性。由于很少有研究機構為道砟測試設計和搭建試驗平臺，作者對道砟在大型試驗設備基礎上的靜載及動載試驗研究是獨一無二的。作者提出了多種本構模型來描述單調和循環荷載作用下道砟的力學特性。通過上述試驗及現場實測，驗證了力學公式及數值模型的正確性。本書研究了軌道設計中土工材料的應用工況，并為軌道設計及道砟顆粒劣化、臟污和排水跟蹤監測提供了新視角；介紹了無損檢測方法對有砟道床軌道狀態的檢測；討論了排水與無縫線路穩定性之間的關系，并通過案例分析展示了研究成果。在道砟材質和級配選型方面，為適應現代重載和高速鐵路，本書提出較小粒徑分布均勻度道砟級配。
本書的完成離不開各組織及個人的鼓勵與支持。首先，作者十分感謝鐵路基礎設施公司（新南威爾士州）高級巖土工程顧問ＤａｖｉｄＣｈｒｉｓｔｉｅ不斷的支持與寶貴建議；感謝前鐵路工程和技術合作研究中心及現鐵路創新合作研究中心（Ｒａｉｌ.ＣＲＣ）在過去十年的支持；感謝澳大利亞研究理事會和鐵路創新合作研究中心在過去８～１０年間所提供的各研究項目資金，感謝前博士研究生ＤｏｍｉｎｉｃＴｒａｎｉ博士、ＤａｎｉｅｌａＩｏｎｅｓｃｕ博士、ＢｅｈｚａｄＦａｔａｈｉ博士、ＪｏａｎｎｅＬａｃｋ.ｅｎｂｙ博士及ＰｒａｍｏｄＴｈａｋｕｒ博士的研究成果；感謝ＨａｄｉＫｈａｂｂａｚ博士和ＭｏｈａｍｅｄＳｈａｈｉｎ博士（前研究員）的重要貢獻；感謝ＪｕｌｉａｎＧｅｒｂｉｎｏ的不斷支持；感謝ＧｅｏｒｇｅＦａｎｎｅｌｌｉ的援助；感Ⅵ高等軌道巖土工程———有砟道床（翻譯版）謝伍倫貢大學ＡｌａｎＧｒａｎｔ、ＩａｎＢｒｉｄｇｅ和ＩａｎＬａｉｒｄ及澳大利亞前鐵路服務公司（ＲＳＡ）提供的專門試驗支持與技術支持。特別感謝ＡｎｉｓｈａＳａｃｈｄｅｖａ博士，她在伍倫貢大學的短暫時光中，幫助作者快速編輯。本書大部分章節由ＭａｎｏｒｉＩｎｄｒａｒａｔｎａ和ＢｉｌｌＣｌａｙｔｏｎ審稿與校對。
本書引用的眾多圖形、表格和一些技術研討中的技術數據已獲得各出版社許可。在此，作者特別感謝：
ＣｏｅｎｒａａｄＥｓｖｅｌｄ教授：《現代鐵路軌道》作者，ＭＲＴＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓ，荷蘭，２００１。
托馬斯德福有限公司（英國），許可引用以下著作：《軌道巖土工程及地基管理》，Ｅ．Ｔ．ＳｅｌｉｇａｎｄＪ．Ｍ．Ｗａｔｅｒｓ，１９９４，以及該作者曾發表在《巖土工程》上的著作。
愛思唯爾科技出版有限公司，許可引用以下書中的部分圖表：《土工織物及土工膜手冊》，Ｔ．Ｓ．Ｉｎｇｏｌｄ，１９９４。
ＡｋｋｅＳ..Ｊ..Ｓｕｉｋｅｒ博士；《有砟鐵路的力學性能》，代爾夫特理工大學出版社，荷蘭，２００２。
《加拿大巖土期刊》《巖土和地質環境工程國際期刊》《地質力學國際期刊》《美國材料與試驗協會土工試驗期刊》及《巖土力學和巖土工程》授權作者已發表的論文圖表。
特別感謝：
感謝伍倫貢大學巖土力學和鐵路工程中心ＳａｎｊａｙＮｉｍｂａｌｋａｒ博士、ＪａｙａｎＶｉｎｏｄ和ＬｉｊｕｎＳｕ博士的貢獻。他們在各研究項目
布迪馬·因卓拉特納教授是國際知名的巖土工程研究員及顧問。畢業于倫敦大學帝國理工學院土木工程專業，后于帝國理工學院獲得土力學碩士學位，隨后獲得加拿大阿爾伯塔大學巖土工程博士學位。現任澳大利亞伍倫貢大學土木、礦業與環境工程學院教授及主任。２００９年獲上海理工大學土木工程專業榮譽教授。他對鐵路巖土工程、軟黏土工程、地基處理、環境巖土工程與巖土水力學等專業在交通基礎設施工程及大壩工程中的應用做出了杰出的貢獻。
在他的領導下，伍倫貢大學巖土力學與鐵路工程中心已經發展成為一個在地基加固和運輸巖土力學方面的機構，承擔著國家和國際研究及咨詢工作。
他多年的努力得到了國際認可。在其獲得的眾多獎項中，尤為突出的是：２００９年由澳大利亞巖土力學學會舉辦的ＥＨＤａｖｉｓ紀念講座，表彰其在巖土工程理論與實踐方面的突出貢獻，同年，由澳大利亞聯邦政府舉辦的商業高等教育圓桌會議授予其軌道創新獎。除本書外，他還編著了４本書，在國際期刊和會議上發表３５０余篇論文，受邀進行全球主題演講３０余場。他的數篇作品已獲得加拿大巖土工程學會和瑞典巖土工程學會組織的國際巖土力學計算方法與發展協會頒發的杰出貢獻獎。
韋杜德·薩利姆博士是澳大利亞昆士蘭黃金海岸市政府環境與交通部高級巖土工程師。畢業于孟加拉工程技術大學，于泰國亞洲理工學院獲得巖土工程碩士學位，并獲得伍倫貢大學巖土工程博士學位。他是伍倫貢大學巖土力學與鐵路工程中心兼職研究員，曾是悉尼鐵路公司的巖土工程師。他是一部關于軌道巖土工程書籍與多篇鐵路現代化領域的各種國際期刊和會議的技術論文的合著者。
喬拉查特·魯吉齊亞特卡門喬恩博士是伍倫貢大學土木工程高級講師。他畢業于泰國孔敬大學土木工程專業，于泰國亞洲技術研究所獲得碩士學位。之后他在伍倫貢大學獲得了巖土工程博士學位。他的專業領域包括交通基礎設施地基加固和軟黏土工程。２００９年，他獲得了國際巖土力學計算方法與發展協會的論文獎。此外，由于他在交通基礎設施軟土地基穩定方面的創新，于２００６年獲伍倫貢開拓者獎。他在國際期刊和會議上發表了５０多篇文章。
譯者序
序
前言
作者簡介
第１ 章 緒論 １
�。�. １ 軌道下部結構性能 １
�。�. １. １ 臟污 ２
１. １. ２ 排水 ２
�。�. １. ３ 路基失穩 ４
�。�. １. ４ 道砟和軌枕劣化 ４
１. １. ５ 橫向約束 ５
�。�. １. ６ 荷載.變形 ５
�。�. ２ 碳足跡及其啟示 ６
�。�. ３ 研究領域 ７
參考文獻 ７
第２ 章 軌道結構和鋼軌荷載 ９
２. １ 軌道結構類型 ９
２. １. １ 有砟軌道 １０
�。�. １. ２ 板式無砟軌道 １０
２. ２ 有砟軌道結構組成 １１
２. ２. １ 鋼軌 １１
２. ２. ２ 扣件系統 １２
２. ２. ３ 軌枕 １２
�。�. ２. ４ 道砟層 １２
�。�. ２. ５ 底砟層 １５
２. ２. ６ 路基 １６
２. ３ 軌道承受荷載 １６
�。�. ３. １ 垂向力 １６
�。�. ３. ２ 橫向力 ２０
２. ３. ３ 縱向力 ２１
２. ３. ４ 沖擊荷載 ２１
２. ４ 荷載傳遞機理 ２３
�。�. ５ 應力測定 ２５
２. ５. １ Ｏｄｅｍａｒｋ 法 ２５
�。�. ５. ２ 齊默曼法 ２５
�。�. ５. ３ 梯形估算法（２ ∶ １ 法） ２７
２. ５. ４�。粒颍澹恚� 推薦方法 ２７
參考文獻 ３０
第３ 章 道床性能的影響因素 ３２
�。�. １ 單體顆粒的物理性質 ３２
３. １. １ 粒徑 ３２
３. １. ２ 道砟顆粒形狀 ３３
�。�. １. ３ 顆粒表面粗糙度 ３４
�。�. １. ４ 母巖強度 ３５
３. １. ５ 顆粒抗壓強度 ３５
�。�. １. ６ 耐磨和抗風化性能 ３５
�。�. ２ 道砟的散體特性 ３６
�。�. ２. １ 粒徑分布 ３６
�。�. ２. ２ 孔隙率（或密度） ３８
３. ２. ３ 含水量 ３８
�。�. ３ 荷載特性 ３９
�。�. ３. １ 圍壓 ３９
３. ３. ２ 荷載歷史 ４０
�。�. ３. ３ 當前應力狀態 ４０
�。�. ３. ４ 荷載循環次數 ４２
�。�. ３. ５ 荷載頻率 ４３
�。�. ３. ６ 荷載幅值 ４４
�。�. ４ 道砟顆粒劣化 ４６
�。�. ４. １ 顆粒破碎量化 ４６
３. ４. ２ 道砟破碎影響因素 ４７
�。�. ４. ３ 主應力比對顆粒破碎的影響 ４７
�。�. ４. ４ 圍壓對顆粒破碎的影響 ４８
參考文獻 ５１
第４ 章 道砟室內試驗和道砟劣化評估的
研究現狀 ５４
�。�. １ 靜三軸試驗 ５４
�。�. １. １ 大型三軸試驗儀 ５４
�。�. １. ２ 試驗道砟介紹 ５５
４. １. ３ 試樣制備 ５６
�。�. １. ４ 試驗過程 ５７
�。�. ２ 道砟單體顆粒壓碎試驗 ５７
�。�. ３ 動三軸試驗 ５８
�。�. ３. １ 棱柱體三軸試驗儀 ５８
４. ３. ２ 試驗材料 ５９
目錄�、�
�。�. ３. ３ 試驗材料準備 ６２
�。�. ３. ４ 動三軸試驗 ６３
�。�. ４ 沖擊試驗 ６４
�。�. ４. １ 落錘試驗機 ６４
�。�. ４. ２ 測試儀器 ６５
�。�. ４. ３ 試驗材料 ６５
４. ４. ４ 試樣準備 ６７
�。�. ４. ５ 沖擊試驗過程 ６７
參考文獻 ６８
第５ 章 有無土工合成材料和減振墊的
有砟道床性能 ７０
�。�. １ 單調荷載作用下道床的力學響應 ７０
�。�. １. １ 應力.應變特性 ７０
５. １. ２ 抗剪強度和剛度 ７４
�。�. １. ３ 三軸剪切試驗的顆粒破碎 ７６
�。�. １. ４ 道砟臨界狀態 ７８
�。�. ２ 道砟單體破碎強度 ７９
５. ３ 循環荷載作用下道砟的力學響應 ８０
５. ３. １ 沉降響應 ８０
５. ３. ２ 應變特性 ８１
�。�. ３. ３ 顆粒破裂 ８３
�。�. ４ 重復加載下道砟的力學響應 ８５
�。�. ５ 圍壓對道床性能影響 ８５
�。�. ６ 能量吸收材料———減振墊 ８７
參考文獻 ９０
第６ 章 現有軌道結構的變形模型 ９２
�。�. １ 道床的塑性變形模型 ９２
６. ２ 其他塑性變形模型 ９４
６. ２. １ 臨界狀態模型 ９４
�。�. ２. ２ 彈塑性本構模型 ９６
�。�. ２. ３ 邊界面塑性模型 １００
�。�. ３ 顆粒破碎模擬 １０２
參考文獻 １０４
第７ 章 道砟本構模型 １０６
７. １ 顆粒破碎的模擬 １０６
７. １. １ 計算道砟基本摩擦角.ｆ １０９
７. １. ２ 顆粒破碎對摩擦角的影響 １０９
７. ２ 單調加載的本構建模 １１１
�。�. ２. １ 應力應變參數 １１１
７. ２. ２ 增量式本構模型 １１２
�。�. ３ 循環加載的本構建模 １２１
�。�. ３. １ 各向異性初始應力狀態下的
剪切 １２２
�。�. ３. ２ 循環加載模型 １２３
�。�. ４ 模型驗證與討論 １２６
�。�. ４. １ 數值方法 １２６
�。�. ４. ２ 模型參數計算 １２６
７. ４. ３ 單調加載模型預測 １２７
�。�. ４. ４ 分析模型與有限元預測值的對比
分析 １２９
�。�. ４. ５ 循環加載模型預測 １３０
參考文獻 １３３
第８ 章 軌道排水和土工織物的應用 １３５
�。�. １ 排水 １３５
８. １. １ 底砟排水 １３６
�。�. １. ２ 排水要求 １３６
８. ２ 臟污指標 １３７
�。�. ２. １ 臟污指數和臟污百分比 １３７
�。�. ２. ２ 孔隙臟污百分比 １３７
８. ２. ３ 相對臟污率 １３８
８. ３ 土工織物在軌道中的應用 １３９
�。�. ４ 作為下部排水結構的豎向土工合成
材料排水管 １４２
�。�. ４. １ 試驗儀器和過程 １４２
�。�. ４. ２ 試驗結果及分析 １４２
參考文獻 １４３
第９ 章 底砟層的作用———排水和
過濾 １４５
９. １ 底砟層設計標準 １４５
�。�. １. １ 過濾與透水標準 １４５
９. １. ２ 底砟選擇案例研究 １４７
�。�. ２ 顆粒過濾的經驗研究 １４９
�。�. ２. １ 自然資源保護服務（ＮＲＣＳ）
方法 １４９
�。�. ２. ２ 自過濾方法 １５１
９. ３ 排水和過濾的數學公式 １５１
�。�. ３. １ 幾何概率模型 １５２
９. ３. ２ 顆粒滲透模型 １５５
�。�. ４ 收縮粒徑分布模型 １５５
�。�. ４. １ 過濾層壓實 １５５
�。�. ４. ２ 過濾層厚度 １５６
�。�. ４. ３ 占主導地位過濾層的收縮尺寸 １５７
�。�. ４. ４ 控制過濾層的收縮尺寸 １５７
�。�. ４. ５ 路基土參數的代表值 １５７
Ⅹ 高等軌道巖土工程———有砟道床（翻譯版）
９. ５ 基于收縮標準的過濾有效性評估
標準 １５８
�。�. ５. １�。模悖梗的Ｐ� １５８
�。�. ５. ２�。模悖常的Ｐ� １５９
�。�. ６ 設計準則的含義 １５９
９. ７ 多孔介質穩定狀態下的滲流壓力 １６０
９. ７. １ 基于康采尼.卡曼方程理論的
發展 １６０
�。�. ７. ２ 有效直徑公式 １６１
�。�. ８ 循環荷載作用下底砟的過濾性能 １６２
�。�. ８. １ 室內模擬 １６２
９. ８. ２ 循環荷載作用下底砟層的變形
特征 １６５
９. ８. ３ 循環荷載作用下底砟應變與
孔隙率關系 １６６
�。�. ８. ４ 循環荷載作用下底砟的水力
滲流 １６９
９. ９ 循環荷載作用下顆粒遷移的時變
地下水過濾模型 １７１
�。�. ９. １ 時變一維散體過濾層的壓縮 １７１
９. ９. ２ 累積因子 １７３
�。�. ９. ３ 細顆粒累積導致孔隙率降低的
數學描述 １７４
�。�. ９. ４ 基于時間的水力傳導模型 １７５
參考文獻 １７６
第１０ 章 軌道性能驗證的現場試驗 １８１
１０. １ 場地位置和軌道鋪設 １８１
１０. １. １ 實地勘測 １８１
１０. １. ２ 軌道鋪設 １８２
１０. ２ 現場測試設備 １８４
１０. ２. １ 壓力計 １８４
�。保�. ２. ２ 位移傳感器 １８５
�。保�. ２. ３ 沉降樁 １８５
�。保�. ２. ４ 數據收集系統 １８６
�。保�. ３ 數據采集 １８６
�。保�. ４ 結果與討論 １８６
�。保�. ４. １ 鋼軌下和軌枕邊緣的道床豎向
位移 １８７
�。保�. ４. ２ 道砟層的平均變形 １８７
�。保�. ４. ３ 道砟層的平均剪應變和平均
體積應變 １９０
１０. ４. ４ 道床內不同層間的原位應力 １９０
１０. ４. ５ 試驗結果與參考文獻比較 １９１
參考文獻 １９２
第１１ 章 道砟密實和破裂的離散
單元法建模 １９４
１１. １ 離散單元法和ＰＦＣ２Ｄ １９４
�。保�. １. １ 計算法則 １９５
�。保�. １. ２ 接觸本構模型 １９５
�。保�. ２ 顆粒破裂模擬 １９７
�。保�. ３ 基于ＰＦＣ２Ｄ的道砟力學特性數值
模擬 １９８
１１. ４ 道砟破裂行為 ２０３
１１. ５ 循環荷載作用下接觸力鏈的發展
機理 ２０８
參考文獻 ２０９
第１２ 章 軌道有限元模擬及應用
案例研究 ２１３
１２. １ 軌道下部結構中土工復合材料的
應用 ２１３
１２. １. １ 有限元分析 ２１５
１２. １. ２ 現場測試與有限元預測結果
對比分析 ２１７
�。保�. ２ 軌道下短預制豎向排水管的設計
過程 ２１７
�。保�. ２. １ 初步設計 ２１８
�。保�. ２. ２ 現場試驗結果與數值分析預測
結果對比 ２１９
參考文獻 ２２０
第１３ 章 軌道的無損檢測和狀態
評估 ２２２
�。保�. １ 試驗室軌道模型 ２２２
�。保�. １. １ 軌道模型 ２２２
�。保�. １. ２ 道床斷面準備 ２２２
�。保�. ２ ＧＰＲ 方法 ２２４
�。保�. ２. １ ＧＰＲ 的理論背景 ２２４
�。保�. ２. ２�。牵校� 數據采集和處理 ２２６
�。保�. ２. ３ 天線頻率的影響 ２２７
１３. ２. ４ 雷達可探土工織物的影響 ２２９
�。保�. ２. ５ 含水量的影響 ２３０
１３. ２. ６ 利用介電常數確定道砟狀態 ２３０
�。保�. ３ 表面波的多通道分析方法 ２３１
１３. ３. １ 表面波多通道分析法研究 ２３２
�。保�. ３. ２ 清潔道床和臟污道床的剪切
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