几百年来，虽然客货列车运载量和速度都有提高，但有砟轨道设计几乎保持不变。从本质上讲，铁路轨道是分层基础，由路基之上压实底砟层或覆盖层和底砟层之上的粗颗粒介质层（通常是硬质岩石道砟）组成。钢轨铺设在木枕或混凝土枕上并将动力传递给主要承载层———道砟。只能通过两侧砟肩和轨枕之间枕心道砟处施加围压来减少列车通过时道砟横向变形，与碎石力学常识不同的是，道砟层几乎是一个无侧限承载层。
道砟在缺乏足够约束条件下的横向移动，粉尘污染，翻浆冒泥形成的土颗粒（软黏土和粉土在饱和条件下液化）和货运列车掉落的煤炭以及道砟劣化（细颗粒迁移向下）都是造成铁路维修费用高昂的主要原因。为了改善铁路道砟状况，澳大利亚、北美和西欧一直致力于研究道砟开采环境控制技术、旧道砟回收与再利用技术，同时在铁路养护维修方面投入重点项目研究资金，用以寻找降低维修成本、延长维修周期的方法，以上已成为大多数运营繁忙的铁路公司的优先事项。在本书中，作者也强调了土工合成材料对回收再利用道砟的改善作用。据预计，土工合成材料的使用将促进废旧道砟的再利用，减少石料开采并节省宝贵的土地资源。
尽管目前对砂石、公路路基及碎石（坝）的研究十分广泛，但是对于单调加载条件下的道砟特性研究较少，而研究循环荷载条件下道砟特性的文献更是凤毛麟角。过去的数十年来，在设计中道砟层被铁路工程师认为是“弹性”的，而只是在近期，高速列车荷载条件下道砟特性被认为初始呈现弹塑性状态，当出现显著劣化包括破碎情况时道砟为完全塑性状态。维护期间对道砟的观测表明，劣化导致道砟粒径产生变化。轨道沉降和侧向变形可作为评估指标，用以研究循环加载后道砟的塑性变形。
在本书中，作者通过大型试验设备，即圆柱和棱柱三轴试验仪，来研究道砟的力学特性。由于很少有研究机构为道砟测试设计和搭建试验平台，作者对道砟在大型试验设备基础上的静载及动载试验研究是独一无二的。作者提出了多种本构模型来描述单调和循环荷载作用下道砟的力学特性。通过上述试验及现场实测，验证了力学公式及数值模型的正确性。本书研究了轨道设计中土工材料的应用工况，并为轨道设计及道砟颗粒劣化、脏污和排水跟踪监测提供了新视角；介绍了无损检测方法对有砟道床轨道状态的检测；讨论了排水与无缝线路稳定性之间的关系，并通过案例分析展示了研究成果。在道砟材质和级配选型方面，为适应现代重载和高速铁路，本书提出较小粒径分布均匀度道砟级配。
本书的完成离不开各组织及个人的鼓励与支持。首先，作者十分感谢铁路基础设施公司（新南威尔士州）高级岩土工程顾问ＤａｖｉｄＣｈｒｉｓｔｉｅ不断的支持与宝贵建议；感谢前铁路工程和技术合作研究中心及现铁路创新合作研究中心（Ｒａｉｌ.ＣＲＣ）在过去十年的支持；感谢澳大利亚研究理事会和铁路创新合作研究中心在过去８～１０年间所提供的各研究项目资金，感谢前博士研究生ＤｏｍｉｎｉｃＴｒａｎｉ博士、ＤａｎｉｅｌａＩｏｎｅｓｃｕ博士、ＢｅｈｚａｄＦａｔａｈｉ博士、ＪｏａｎｎｅＬａｃｋ.ｅｎｂｙ博士及ＰｒａｍｏｄＴｈａｋｕｒ博士的研究成果；感谢ＨａｄｉＫｈａｂｂａｚ博士和ＭｏｈａｍｅｄＳｈａｈｉｎ博士（前研究员）的重要贡献；感谢ＪｕｌｉａｎＧｅｒｂｉｎｏ的不断支持；感谢ＧｅｏｒｇｅＦａｎｎｅｌｌｉ的援助；感Ⅵ高等轨道岩土工程———有砟道床（翻译版）谢伍伦贡大学ＡｌａｎＧｒａｎｔ、ＩａｎＢｒｉｄｇｅ和ＩａｎＬａｉｒｄ及澳大利亚前铁路服务公司（ＲＳＡ）提供的专门试验支持与技术支持。特别感谢ＡｎｉｓｈａＳａｃｈｄｅｖａ博士，她在伍伦贡大学的短暂时光中，帮助作者快速编辑。本书大部分章节由ＭａｎｏｒｉＩｎｄｒａｒａｔｎａ和ＢｉｌｌＣｌａｙｔｏｎ审稿与校对。
本书引用的众多图形、表格和一些技术研讨中的技术数据已获得各出版社许可。在此，作者特别感谢：
ＣｏｅｎｒａａｄＥｓｖｅｌｄ教授：《现代铁路轨道》作者，ＭＲＴＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓ，荷兰，２００１。
托马斯德福有限公司（英国），许可引用以下著作：《轨道岩土工程及地基管理》，Ｅ．Ｔ．ＳｅｌｉｇａｎｄＪ．Ｍ．Ｗａｔｅｒｓ，１９９４，以及该作者曾发表在《岩土工程》上的著作。
爱思唯尔科技出版有限公司，许可引用以下书中的部分图表：《土工织物及土工膜手册》，Ｔ．Ｓ．Ｉｎｇｏｌｄ，１９９４。
ＡｋｋｅＳ..Ｊ..Ｓｕｉｋｅｒ博士；《有砟铁路的力学性能》，代尔夫特理工大学出版社，荷兰，２００２。
《加拿大岩土期刊》《岩土和地质环境工程国际期刊》《地质力学国际期刊》《美国材料与试验协会土工试验期刊》及《岩土力学和岩土工程》授权作者已发表的论文图表。
特别感谢：
感谢伍伦贡大学岩土力学和铁路工程中心ＳａｎｊａｙＮｉｍｂａｌｋａｒ博士、ＪａｙａｎＶｉｎｏｄ和ＬｉｊｕｎＳｕ博士的贡献。他们在各研究项目
布迪马·因卓拉特纳教授是国际知名的岩土工程研究员及顾问。毕业于伦敦大学帝国理工学院土木工程专业，后于帝国理工学院获得土力学硕士学位，随后获得加拿大阿尔伯塔大学岩土工程博士学位。现任澳大利亚伍伦贡大学土木、矿业与环境工程学院教授及主任。２００９年获上海理工大学土木工程专业荣誉教授。他对铁路岩土工程、软黏土工程、地基处理、环境岩土工程与岩土水力学等专业在交通基础设施工程及大坝工程中的应用做出了杰出的贡献。
在他的领导下，伍伦贡大学岩土力学与铁路工程中心已经发展成为一个在地基加固和运输岩土力学方面的机构，承担着国家和国际研究及咨询工作。
他多年的努力得到了国际认可。在其获得的众多奖项中，尤为突出的是：２００９年由澳大利亚岩土力学学会举办的ＥＨＤａｖｉｓ纪念讲座，表彰其在岩土工程理论与实践方面的突出贡献，同年，由澳大利亚联邦政府举办的商业高等教育圆桌会议授予其轨道创新奖。除本书外，他还编著了４本书，在国际期刊和会议上发表３５０余篇论文，受邀进行全球主题演讲３０余场。他的数篇作品已获得加拿大岩土工程学会和瑞典岩土工程学会组织的国际岩土力学计算方法与发展协会颁发的杰出贡献奖。
韦杜德·萨利姆博士是澳大利亚昆士兰黄金海岸市政府环境与交通部高级岩土工程师。毕业于孟加拉工程技术大学，于泰国亚洲理工学院获得岩土工程硕士学位，并获得伍伦贡大学岩土工程博士学位。他是伍伦贡大学岩土力学与铁路工程中心兼职研究员，曾是悉尼铁路公司的岩土工程师。他是一部关于轨道岩土工程书籍与多篇铁路现代化领域的各种国际期刊和会议的技术论文的合著者。
乔拉查特·鲁吉齐亚特卡门乔恩博士是伍伦贡大学土木工程高级讲师。他毕业于泰国孔敬大学土木工程专业，于泰国亚洲技术研究所获得硕士学位。之后他在伍伦贡大学获得了岩土工程博士学位。他的专业领域包括交通基础设施地基加固和软黏土工程。２００９年，他获得了国际岩土力学计算方法与发展协会的论文奖。此外，由于他在交通基础设施软土地基稳定方面的创新，于２００６年获伍伦贡开拓者奖。他在国际期刊和会议上发表了５０多篇文章。
译者序
序
前言
作者简介
第１ 章 绪论 １
１. １ 轨道下部结构性能 １
１. １. １ 脏污 ２
１. １. ２ 排水 ２
１. １. ３ 路基失稳 ４
１. １. ４ 道砟和轨枕劣化 ４
１. １. ５ 横向约束 ５
１. １. ６ 荷载.变形 ５
１. ２ 碳足迹及其启示 ６
１. ３ 研究领域 ７
参考文献 ７
第２ 章 轨道结构和钢轨荷载 ９
２. １ 轨道结构类型 ９
２. １. １ 有砟轨道 １０
２. １. ２ 板式无砟轨道 １０
２. ２ 有砟轨道结构组成 １１
２. ２. １ 钢轨 １１
２. ２. ２ 扣件系统 １２
２. ２. ３ 轨枕 １２
２. ２. ４ 道砟层 １２
２. ２. ５ 底砟层 １５
２. ２. ６ 路基 １６
２. ３ 轨道承受荷载 １６
２. ３. １ 垂向力 １６
２. ３. ２ 横向力 ２０
２. ３. ３ 纵向力 ２１
２. ３. ４ 冲击荷载 ２１
２. ４ 荷载传递机理 ２３
２. ５ 应力测定 ２５
２. ５. １ Ｏｄｅｍａｒｋ 法 ２５
２. ５. ２ 齐默曼法 ２５
２. ５. ３ 梯形估算法（２ ∶ １ 法） ２７
２. ５. ４ Ａｒｅｍａ 推荐方法 ２７
参考文献 ３０
第３ 章 道床性能的影响因素 ３２
３. １ 单体颗粒的物理性质 ３２
３. １. １ 粒径 ３２
３. １. ２ 道砟颗粒形状 ３３
３. １. ３ 颗粒表面粗糙度 ３４
３. １. ４ 母岩强度 ３５
３. １. ５ 颗粒抗压强度 ３５
３. １. ６ 耐磨和抗风化性能 ３５
３. ２ 道砟的散体特性 ３６
３. ２. １ 粒径分布 ３６
３. ２. ２ 孔隙率（或密度） ３８
３. ２. ３ 含水量 ３８
３. ３ 荷载特性 ３９
３. ３. １ 围压 ３９
３. ３. ２ 荷载历史 ４０
３. ３. ３ 当前应力状态 ４０
３. ３. ４ 荷载循环次数 ４２
３. ３. ５ 荷载频率 ４３
３. ３. ６ 荷载幅值 ４４
３. ４ 道砟颗粒劣化 ４６
３. ４. １ 颗粒破碎量化 ４６
３. ４. ２ 道砟破碎影响因素 ４７
３. ４. ３ 主应力比对颗粒破碎的影响 ４７
３. ４. ４ 围压对颗粒破碎的影响 ４８
参考文献 ５１
第４ 章 道砟室内试验和道砟劣化评估的
研究现状 ５４
４. １ 静三轴试验 ５４
４. １. １ 大型三轴试验仪 ５４
４. １. ２ 试验道砟介绍 ５５
４. １. ３ 试样制备 ５６
４. １. ４ 试验过程 ５７
４. ２ 道砟单体颗粒压碎试验 ５７
４. ３ 动三轴试验 ５８
４. ３. １ 棱柱体三轴试验仪 ５８
４. ３. ２ 试验材料 ５９
目录 Ⅸ
４. ３. ３ 试验材料准备 ６２
４. ３. ４ 动三轴试验 ６３
４. ４ 冲击试验 ６４
４. ４. １ 落锤试验机 ６４
４. ４. ２ 测试仪器 ６５
４. ４. ３ 试验材料 ６５
４. ４. ４ 试样准备 ６７
４. ４. ５ 冲击试验过程 ６７
参考文献 ６８
第５ 章 有无土工合成材料和减振垫的
有砟道床性能 ７０
５. １ 单调荷载作用下道床的力学响应 ７０
５. １. １ 应力.应变特性 ７０
５. １. ２ 抗剪强度和刚度 ７４
５. １. ３ 三轴剪切试验的颗粒破碎 ７６
５. １. ４ 道砟临界状态 ７８
５. ２ 道砟单体破碎强度 ７９
５. ３ 循环荷载作用下道砟的力学响应 ８０
５. ３. １ 沉降响应 ８０
５. ３. ２ 应变特性 ８１
５. ３. ３ 颗粒破裂 ８３
５. ４ 重复加载下道砟的力学响应 ８５
５. ５ 围压对道床性能影响 ８５
５. ６ 能量吸收材料———减振垫 ８７
参考文献 ９０
第６ 章 现有轨道结构的变形模型 ９２
６. １ 道床的塑性变形模型 ９２
６. ２ 其他塑性变形模型 ９４
６. ２. １ 临界状态模型 ９４
６. ２. ２ 弹塑性本构模型 ９６
６. ２. ３ 边界面塑性模型 １００
６. ３ 颗粒破碎模拟 １０２
参考文献 １０４
第７ 章 道砟本构模型 １０６
７. １ 颗粒破碎的模拟 １０６
７. １. １ 计算道砟基本摩擦角.ｆ １０９
７. １. ２ 颗粒破碎对摩擦角的影响 １０９
７. ２ 单调加载的本构建模 １１１
７. ２. １ 应力应变参数 １１１
７. ２. ２ 增量式本构模型 １１２
７. ３ 循环加载的本构建模 １２１
７. ３. １ 各向异性初始应力状态下的
剪切 １２２
７. ３. ２ 循环加载模型 １２３
７. ４ 模型验证与讨论 １２６
７. ４. １ 数值方法 １２６
７. ４. ２ 模型参数计算 １２６
７. ４. ３ 单调加载模型预测 １２７
７. ４. ４ 分析模型与有限元预测值的对比
分析 １２９
７. ４. ５ 循环加载模型预测 １３０
参考文献 １３３
第８ 章 轨道排水和土工织物的应用 １３５
８. １ 排水 １３５
８. １. １ 底砟排水 １３６
８. １. ２ 排水要求 １３６
８. ２ 脏污指标 １３７
８. ２. １ 脏污指数和脏污百分比 １３７
８. ２. ２ 孔隙脏污百分比 １３７
８. ２. ３ 相对脏污率 １３８
８. ３ 土工织物在轨道中的应用 １３９
８. ４ 作为下部排水结构的竖向土工合成
材料排水管 １４２
８. ４. １ 试验仪器和过程 １４２
８. ４. ２ 试验结果及分析 １４２
参考文献 １４３
第９ 章 底砟层的作用———排水和
过滤 １４５
９. １ 底砟层设计标准 １４５
９. １. １ 过滤与透水标准 １４５
９. １. ２ 底砟选择案例研究 １４７
９. ２ 颗粒过滤的经验研究 １４９
９. ２. １ 自然资源保护服务（ＮＲＣＳ）
方法 １４９
９. ２. ２ 自过滤方法 １５１
９. ３ 排水和过滤的数学公式 １５１
９. ３. １ 几何概率模型 １５２
９. ３. ２ 颗粒渗透模型 １５５
９. ４ 收缩粒径分布模型 １５５
９. ４. １ 过滤层压实 １５５
９. ４. ２ 过滤层厚度 １５６
９. ４. ３ 占主导地位过滤层的收缩尺寸 １５７
９. ４. ４ 控制过滤层的收缩尺寸 １５７
９. ４. ５ 路基土参数的代表值 １５７
Ⅹ 高等轨道岩土工程———有砟道床（翻译版）
９. ５ 基于收缩标准的过滤有效性评估
标准 １５８
９. ５. １ Ｄｃ９５模型 １５８
９. ５. ２ Ｄｃ３５模型 １５９
９. ６ 设计准则的含义 １５９
９. ７ 多孔介质稳定状态下的渗流压力 １６０
９. ７. １ 基于康采尼.卡曼方程理论的
发展 １６０
９. ７. ２ 有效直径公式 １６１
９. ８ 循环荷载作用下底砟的过滤性能 １６２
９. ８. １ 室内模拟 １６２
９. ８. ２ 循环荷载作用下底砟层的变形
特征 １６５
９. ８. ３ 循环荷载作用下底砟应变与
孔隙率关系 １６６
９. ８. ４ 循环荷载作用下底砟的水力
渗流 １６９
９. ９ 循环荷载作用下颗粒迁移的时变
地下水过滤模型 １７１
９. ９. １ 时变一维散体过滤层的压缩 １７１
９. ９. ２ 累积因子 １７３
９. ９. ３ 细颗粒累积导致孔隙率降低的
数学描述 １７４
９. ９. ４ 基于时间的水力传导模型 １７５
参考文献 １７６
第１０ 章 轨道性能验证的现场试验 １８１
１０. １ 场地位置和轨道铺设 １８１
１０. １. １ 实地勘测 １８１
１０. １. ２ 轨道铺设 １８２
１０. ２ 现场测试设备 １８４
１０. ２. １ 压力计 １８４
１０. ２. ２ 位移传感器 １８５
１０. ２. ３ 沉降桩 １８５
１０. ２. ４ 数据收集系统 １８６
１０. ３ 数据采集 １８６
１０. ４ 结果与讨论 １８６
１０. ４. １ 钢轨下和轨枕边缘的道床竖向
位移 １８７
１０. ４. ２ 道砟层的平均变形 １８７
１０. ４. ３ 道砟层的平均剪应变和平均
体积应变 １９０
１０. ４. ４ 道床内不同层间的原位应力 １９０
１０. ４. ５ 试验结果与参考文献比较 １９１
参考文献 １９２
第１１ 章 道砟密实和破裂的离散
单元法建模 １９４
１１. １ 离散单元法和ＰＦＣ２Ｄ １９４
１１. １. １ 计算法则 １９５
１１. １. ２ 接触本构模型 １９５
１１. ２ 颗粒破裂模拟 １９７
１１. ３ 基于ＰＦＣ２Ｄ的道砟力学特性数值
模拟 １９８
１１. ４ 道砟破裂行为 ２０３
１１. ５ 循环荷载作用下接触力链的发展
机理 ２０８
参考文献 ２０９
第１２ 章 轨道有限元模拟及应用
案例研究 ２１３
１２. １ 轨道下部结构中土工复合材料的
应用 ２１３
１２. １. １ 有限元分析 ２１５
１２. １. ２ 现场测试与有限元预测结果
对比分析 ２１７
１２. ２ 轨道下短预制竖向排水管的设计
过程 ２１７
１２. ２. １ 初步设计 ２１８
１２. ２. ２ 现场试验结果与数值分析预测
结果对比 ２１９
参考文献 ２２０
第１３ 章 轨道的无损检测和状态
评估 ２２２
１３. １ 试验室轨道模型 ２２２
１３. １. １ 轨道模型 ２２２
１３. １. ２ 道床断面准备 ２２２
１３. ２ ＧＰＲ 方法 ２２４
１３. ２. １ ＧＰＲ 的理论背景 ２２４
１３. ２. ２ ＧＰＲ 数据采集和处理 ２２６
１３. ２. ３ 天线频率的影响 ２２７
１３. ２. ４ 雷达可探土工织物的影响 ２２９
１３. ２. ５ 含水量的影响 ２３０
１３. ２. ６ 利用介电常数确定道砟状态 ２３０
１３. 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
１３. ３. ２ 清洁道床和脏污道床的剪切
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