3D discrete-continuum simulation of differential settlement in ballasted railway transition zones
Tid: Må 2025-11-17 kl 13.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/67393008624
Språk: Engelska
Ämnesområde: Byggvetenskap, Jord- och bergmekanik
Respondent: Alireza Ahmadi , Jord- och bergmekanik
Opponent: Professor António Gomes Correia, University of Minho, Protugal
Handledare: Professor Stefan Larsson, Jord- och bergmekanik
QC 20251028
Abstract
Den diskreta elementmetoden (DEM) är en kraftfull numerisk metod för att analysera granulära material, såsom de som förekommer i järnvägsbankar. Genom att lösa kraft-förskjutningsekvationer baserade på Newtonsk mekanik möjliggör DEM detaljerad analys på partikelskala. Dock kvarstår utmaningar relaterade till hög lång beräkningstid samt begränsningar i att modellera kontinuerliga strukturella komponenter. Denna studie behandlar två centrala frågeställningar i DEM-modelleringen av granulära material för höghastighetsjärnvägar.
Partikelskalning och dess inverkan på skjuvbeteende och beräkningseffektivitet. För det första undersöks hur olika tekniker för partikelskalning påverkar skjuvbeteendet och den numeriska effektiviteten hos granulära material bestående av finkorniga, kantiga partiklar. Genom att variera partikelstorleksfördelning och kantighet visar resultaten att en lämplig skalning av partiklarna kan reducera beräkningstiden avsevärt, utan att förlora noggrannhet i simuleringen.
Hybridmodellering av diskreta och kontinuerliga komponenter.För att övervinna DEM:s begränsningar vid modellering av kontinuerliga strukturer såsom räler och undergrund, utvecklas en ny hybridmodelleringsmetod. Denna metod kombinerar en tredimensionell DEM-modell för ballast- och underballastlager med en kontinuerlig Finita Differensmetod (FDM) för räler och undergrund. Dessutom inkluderas en icke-linjär tvådimensionell Finita Elementmetod (FEM) för att modellera den dynamiska interaktionen mellan fordon och spår. Detta integrerade DEM–FDM–FEM-ramverk möjliggör simulering av både kortsiktiga dynamiska responser och långsiktiga differentiella sättningar i övergångszoner för järnväg.
En särskild metod för periodisk cellreplikering används för att skapa storskaliga DEM-modeller, vilket förbättrar både realismen och den numeriska effektiviteten.
Modellen valideras mot storskaliga fysiska experiment samt etablerade FEM-referensmodeller. Resultaten bekräftar ramverkets förmåga att återge kritiska mekanismer såsom glappbildning under sliprar, styvhetsgradienter och vertikal avvikelse som uppstår till följd av upprepade axellaster. Studien visar att abrupta förändringar i styvhet förstärker de dynamiska belastningarna, vilket leder till progressiv sättning och degradering av spårgeometrin över tid.
Studien understryker vikten av att kombinera granulära och kontinuerliga modelleringsmetoder för att bättre förutsäga och motverka långsiktig degradering i ballasterade övergångszoner för järnväg.
Studien visar att en styvhetsgradient vid övergångszoner i järnväg förstärker dynamiska hjul–rälskrafter, vilket leder till urgröpta sliprar och en topp i ballastsättning några meter in i det mjukare spåret, vilket understryker behovet av en gradvis förändring i styvhet för att begränsa långsiktig differenssättning.