高速鐵路散體道床宏細觀力學行為

高速鐵路基礎研究與技術創(chuàng)新叢書

編委會

主任委員:

盧春房

委員:

翟婉明杜彥良李椿萱周黎李迎九

王濱劉為群趙鵬盛黎明丁叁叁

高亮唐濤白明洲

國家出版基金項目

“十四五”時期國家重點出版物出版專項規(guī)劃項目

高速鐵路基礎研究與技術創(chuàng)新叢書

基礎理論與基礎技術系列

高速鐵路散體道床

宏細觀力學行為

本叢書編委會總主編

趙春發(fā)翟婉明張徐著

井國慶主審

中國鐵道出版社有限公司

年北京

2022·

內(nèi)容簡介

本書為高速鐵路基礎研究與技術創(chuàng)新叢書之分冊本書內(nèi)容基于作者所在課題組近年來使

“”。

用離散單元法有限差分法和車輛軌道耦合動力學理論開展的道床宏細觀力學行為模擬研究成

、

果以及高速鐵路道砟集料試驗和-全尺寸道床模型試驗研究成果全書共章第章緒論回顧了

,。,

近年來散體道床理論與試驗研究進展論述離散單元法的基本原理第章7論述了道1床離散元建模

,,

方法及模型參數(shù)的標定第章分別論述高速鐵路道床宏細觀動態(tài)2響應特性高速鐵路散體道

,、

床累積變形及道砟劣化形式3和~5有砟軌道過渡段宏細觀力學行為第章論述道床動力穩(wěn)定過程中

,

的力學行為與性能演變第章展望了道床力學行為分析與調(diào)控技術6發(fā)展趨勢

,。

本書內(nèi)容緊扣軌道工7程實際理論探索性強適合鐵道工程領域科研人員和工程技術人

,,

員工務運營維護與管理人員參考也可作為高等院校鐵道工程巖土工程載運工具運用工程

、,、、

等專業(yè)研究生和高年級本科生的教材或參考書

。

圖書在版編目CIP數(shù)據(jù)

()

高速鐵路散體道床宏細觀力學行為趙春發(fā)翟婉明張徐著北京中國鐵道

/,,—:

出版社有限公司.

,

高速鐵路基礎研20究22.與4技術創(chuàng)新叢書基礎理論與基礎技術系列

()

十四五時期國家重點出版物出版專.項規(guī)劃項目

“”

ISBN978-7-113-28857-0

高趙翟張高速鐵路軌道鐵路道床動力學

…………()

研究Ⅰ.①Ⅱ.①②③Ⅲ.①----

Ⅳ.①U213.7

中國版本圖書館數(shù)據(jù)核字第號

CIP(2022)023667

書名:高速鐵路散體道床宏細觀力學行為

作者:趙春發(fā)翟婉明張徐

策劃:曾露平

責任編輯:馮海燕編輯部電話:

(010)51873017

封面設計:高博越封面攝影:王明柱叢書標識設計:崔麗芳

責任校對:焦桂榮

責任印制:高春曉

出版發(fā)行:中國鐵道出版社有限公司北京市西城區(qū)右安門西街號

(100054,8)

網(wǎng)址:

htt://

印刷:北京p聯(lián)興盛業(yè)印p刷股份有限公司

版次:年月第版年月第次印刷

202241202241

開本:印張:字數(shù):千

787mm×1092mm1/1614274

書號:

ISBN978-7-113-28857-0

定價:元

88.00

版權所有侵權必究

凡購買鐵道版圖書如有印制質(zhì)量問題請與本社讀者服務部聯(lián)系調(diào)換電話

,,。:(010)51873174

打擊盜版舉報電話

:(010)63549461

高速鐵路基礎研究與技術創(chuàng)新叢書

編輯組

組長:王濱

副組長:楊新陽

策劃:(以姓氏筆畫為序)

王健王風雨王明容亢嘉豪田甜朱敏潔劉霞

江新錫李小軍李潤華李嘉懿楊哲時博邱金帥

張婕陳小剛金鋒徐艷徐清黃璐曹艷芳

崔忠文傅希剛曾露平熊安春黎琳薛麗娜

編輯:(第一期,以姓氏筆畫為序)

王風雨亢嘉豪田甜白小玉馮海燕朱榮榮朱敏潔

劉霞李小軍李潤華邱金帥張瑜趙昱萌趙雅敏

黃璐鹿金煒曾麗辰薛麗娜魏娟

統(tǒng)籌:李小軍劉霞

序

我國高速鐵路起步晚、發(fā)展快、后勁足,經(jīng)過幾代人的不懈努力,通過原始創(chuàng)新、

集成創(chuàng)新、引進消化吸收再創(chuàng)新,成功地走出了一條符合中國國情路情、具有中國特

色的自主創(chuàng)新之路。我國已系統(tǒng)掌握各種復雜地質(zhì)和氣候條件下高速鐵路建造成

套技術;在工務工程、列車運行控制、牽引供電、動車組等高速鐵路核心技術方面實

現(xiàn)自主化;形成了復雜路網(wǎng)條件下處理跨線運行的運營管理成套技術,構建了人防、

物防、技防三位一體的主動安全保障機制。我國已成為全球高速鐵路運營里程最

長、在建規(guī)模最大、運營速度最快、技術體系最全、運營和管理經(jīng)驗最豐富的國家。

我國高速鐵路技術已走在世界前列,成為推動世界高速鐵路發(fā)展的重要力量。

為貫徹落實中共中央、國務院《交通強國建設綱要》,推進國鐵集團《新時代交通

強國鐵路先行規(guī)劃綱要》的落地,系統(tǒng)總結、梳理我國高速鐵路各領域前沿理論和技

術,向我國乃至世界高速鐵路科研工作者和工程技術人員提供一套前沿性的參考

書,中國國家鐵路集團有限公司鐵道出版社公司特組織編著出版“高速鐵路基礎研

究與技術創(chuàng)新叢書”。

叢書以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導,以國家自然科學基金課

題、國家基金委國鐵集團高鐵聯(lián)合基金課題、國家“”課題、國家重點研發(fā)計劃課

-973

題等科研成果為支撐,從高速鐵路前沿研究、補短板技術、核心技術、技術發(fā)展趨勢

等方向組織選題,涵蓋動車組、供電、通信與信號、列控與檢測、工程勘察與設計、智

能建造、運營與管理、現(xiàn)代信息技術、安全和維護等領域,規(guī)模為冊,是全面系統(tǒng)

100

論述我國高速鐵路基礎研究與技術創(chuàng)新成就的大型系列原創(chuàng)性科技著作。

叢書力求突出制高點、原創(chuàng)性、權威性、全覆蓋特色。叢書各冊內(nèi)容以作者團隊

長期從事高速鐵路科學研究的成果為依托,多數(shù)成果居于國內(nèi)領先水平甚至世界先

進水平,多種成果榮獲國家科學技術獎一等獎、二等獎,國家技術發(fā)明獎一等獎、二

等獎,茅以升科學技術獎,詹天佑鐵道科學技術獎,鐵道科技進步獎等獎項,叢書內(nèi)

容體現(xiàn)了我國當今最新、最前沿以及展現(xiàn)未來發(fā)展趨勢的高速鐵路相關研究成果和

ⅱ高速鐵路散體道床宏細觀力學行為

應用技術。叢書包括動車組、供電、工程施工與組織等十個系列,基本實現(xiàn)高速鐵路

各領域全覆蓋。

叢書由編委會總負責。編委會陣容強大,認真負責。編委會各成員都是長期從

事我國高速鐵路科研、技術、生產(chǎn)和管理的一流專家學者,是所從事領域的翹楚,其

中包括高速鐵路及其相關領域的四位院士。編委會多次開會商討叢書的體系、內(nèi)容

特色、作者條件及質(zhì)量保障機制;分工負責,精心審訂和修改各冊編寫提綱;多次遴

選選題,先從多個選題意向中遴選出個選題,后又剔除了內(nèi)容特色不太鮮

150100

明的個選題,還對多個選題提出了較大的改進意見,補充了個關鍵技術和彌

8108

補技術空白的選題;最后邀請專人對各冊內(nèi)容進行審定,從而保證了各冊內(nèi)容的正

確性和先進性。

年年底,國家新聞出版署經(jīng)過嚴格評審,“高速鐵路基礎研究與技術創(chuàng)新

2021

叢書”(冊)成功入選“‘十四五’時期國家重點出版物出版專項規(guī)劃———重大出

100

版工程”。這是對本叢書項目的認可,也是對編委會、作者和編輯等人員前期工作的

認可,更是一種鞭策。我們相信,本叢書的出版,將助力于《交通強國建設綱要》的貫

徹落實,推動我國乃至世界高速鐵路事業(yè)的發(fā)展,也將為鐵路領域的科研工作者、工

程技術人員、管理人員,以及高校相關專業(yè)師生提供一套高水平、原創(chuàng)性、權威性、全

覆蓋的大型高鐵科技精品著作。

中國工程院院士

“高速鐵路基礎研究與技術創(chuàng)新叢書”編委會主任

年月

20222

前言

本書為“高速鐵路基礎研究與技術創(chuàng)新叢書”之分冊,按叢書要求,力圖體現(xiàn)高

速鐵路散體道床力學行為理論研究和試驗研究的制高點、前沿性、原創(chuàng)性特色。

有砟軌道以碎石道床為基礎,具有彈性好、價格低廉、易排水、維修方便等優(yōu)點,

是普速鐵路的主要軌道結構形式,在高速鐵路中也有廣泛的應用。但是,在列車荷

載反復作用下,碎石道床的狀態(tài)和性能很難長久保持,需要經(jīng)常性進行養(yǎng)護維修,以

確保鐵路行車安全。特別是,近年來客車運行速度和貨車軸重不斷提升,散體道床

的劣化速率明顯加快,線路維護費用攀升,需要研究掌握更高速度、更大軸重運營條

件下散體道床劣化機理和性能演變規(guī)律,為開發(fā)有砟軌道強化技術和養(yǎng)護維修技術

提供理論支撐。

針對鐵路高速化和重載化帶來的道床劣化和累積變形問題,世紀年代以

2090

來國際上掀起了散體道床力學行為的研究熱潮,很多新理論、新方法和新技術被引

入道床質(zhì)量狀態(tài)和性能劣化研究之中。本書作者翟婉明院士于年在國際上首

1991

次提出車輛軌道耦合動力學模型,創(chuàng)建了基于錐體受載假設的道床動力學模型,較

-

好解決了散體道床振動響應的數(shù)值模擬問題。世紀以來,以無砟軌道結構為主

21

的中國高速鐵路發(fā)展迅猛,而高速鐵路有砟軌道的研究基礎十分薄弱,不能滿足我

國高速鐵路發(fā)展需求。因此,年著者所在團隊在國家基金委國鐵集團高鐵聯(lián)

2012-

合基金項目和國家“”計劃項目的資助下,運用顆粒材料力學理論、離散單元法和

973

車輛軌道耦合動力學理論,開展了高速鐵路散體道床宏細觀力學行為的數(shù)值模擬

-

分析,同時還進行了道砟顆粒試驗、道砟集料試驗、全尺寸有砟軌道模型試驗和現(xiàn)場

動力學試驗研究,為深入認識高速鐵路散體道床力學行為、劣化機理和累積變形規(guī)

律提供了新見解,為發(fā)展散體道床設計、施工與維護技術提供了新的理論依據(jù)。

本書內(nèi)容基于國家基金委國鐵集團高鐵聯(lián)合基金項目()、國家“”

-U1234209973

計劃課題()、國家自然科學基金面上項目()、高等學校學科

2013CB03620551578469

創(chuàng)新引智基地項目()、國家自然科學基金重大項目課題()、中國鐵

B1604111790283

ⅱ高速鐵路散體道床宏細觀力學行為

建高新裝備股份有限公司技術開發(fā)課題()、大秦鐵路股份

CRCCE-TEC-2019-0052

有限公司重載技術升級專項計劃課題()和牽引動力國家重點實驗室自主

A2019G05

研究課題()的研究成果。本書共分為章,第章緒論論述有砟道床

2015TPL-T1271

的功能與質(zhì)量狀態(tài)參數(shù)和離散單元法基本原理,介紹近年來散體道床的理論和試驗

研究進展;第章分別論述道床離散元建模及其參數(shù)標定方法、高速鐵路散體道

2~6

床宏細觀動態(tài)響應、高速鐵路道床累積變形和道砟劣化形式、有砟軌道過渡段的宏

細觀力學行為和道床動力穩(wěn)定過程中的力學行為與性能演變;最后,第章展望了

7

有砟道床力學行為分析與調(diào)控技術發(fā)展趨勢。全書由趙春發(fā)和翟婉明規(guī)劃,趙春發(fā)

著述第、、、章,翟婉明和張徐著述第、、章。最后由趙春發(fā)和翟婉明對全書

1256347

進行統(tǒng)稿、定稿,井國慶主審。

研究工作得到了大連理工大學季順迎教授、大連交通大學嚴穎教授和西南交通

大學王海波副教授的支持,中國鐵建高新裝備股份有限公司和朔黃鐵路發(fā)展有限責

任公司為本書試驗研究提供了支持,在此一并表示感謝!感謝美國

Universityof

土工與環(huán)境工程系教授、澳大利亞

IllinoisatUrbana-ChampaignErolTutumluer

交通研究中心教授、美國

UniversityofTechnologySydneyBuddhimaIndraratna

土工與環(huán)境工程系錢于博士、北京交通大學井國慶教

UniversityofSouthCarolina

授、荷蘭郭云龍博士在有砟道床力學行為研究方面

DelftUniversityofTechnology

的交流與討論!最后,感謝著者研究團隊研究生石燦、方駿、馮洋和張磊在本書數(shù)值

分析與試驗研究中的辛勤付出!

限于作者水平有限,書中難免有疏漏和不足之處,敬請讀者批評指正。

著者

年月

20222

目錄

第1章緒論………………

1

道床功能與質(zhì)量狀態(tài)參數(shù)…………

1.13

國內(nèi)外道床理論與試驗研究現(xiàn)狀…………………

1.26

道床宏觀力學行為研究……………………

1.2.16

道床細觀力學行為研究……………………

1.2.213

道床強化技術研究…………

1.2.319

離散單元法基本原理與方法………

1.322

基本思想與計算原理………

1.3.123

顆粒接觸與黏結模型………

1.3.224

不規(guī)則顆粒的模擬方法……………………

1.3.328

第2章道床離散元建模及參數(shù)標定………

41

道砟幾何形態(tài)獲取與重構…………

2.141

二維幾何形態(tài)………………

2.1.141

三維幾何形態(tài)………………

2.1.242

道砟顆粒離散元模擬………………

2.244

道床離散元建模……………………

2.348

扣件及鋼軌的離散元模擬…………

2.449

道床離散元模型參數(shù)標定…………

2.551

道砟黏結顆粒模型參數(shù)標定………………

2.5.152

道砟顆粒接觸參數(shù)標定……………………

2.5.257

第3章高速列車荷載作用下道床的宏細觀動態(tài)響應……

67

列車動荷載模擬方法………………

3.167

道床力學行為的二維離散元模擬…………………

3.270

道砟接觸力與顆粒應力……………………

3.2.171

道砟顆粒運動的空間分布…………………

3.2.272

道砟顆粒振動響應特征……………………

3.2.373

道床力學行為的三維離散元模擬…………………

3.377

道砟接觸力和道床應力的空間分布………

3.3.180

道砟振動響應的空間分布…………………

3.3.283

ⅱ高速鐵路散體道床宏細觀力學行為

不同位置道砟顆粒振動比較………………

3.3.385

行車速度對道床動態(tài)響應的影響…………………

3.488

不同行車速度的列車動荷載………………

3.4.189

對道砟接觸力和道床應力分布的影響……

3.4.291

對道砟顆粒振動響應的影響………………

3.4.392

第4章高速鐵路道床累積變形與道砟劣化形式…………

99

全尺寸有砟道床模型試驗裝置……………………

4.199

試驗臺與加載系統(tǒng)…………

4.1.199

測點布置與測試方法……………………

4.1.2101

試驗加載與數(shù)據(jù)采集……………………

4.1.3102

道床累積變形試驗結果分析……………………

4.2104

道砟劣化試驗結果分析…………

4.3106

試驗方案與方法…………

4.3.1106

道砟劣化形式及統(tǒng)計分析………………

4.3.2108

道床累積變形的離散元模擬分析………………

4.4111

小尺寸道床離散元模型…………………

4.4.1112

小尺寸道床離散元模型等效輸入荷載…………………

4.4.2113

小尺寸道床離散元模型的試驗驗證……

4.4.3114

簡諧荷載下道床累積變形模擬分析……

4.4.4117

簡諧荷載下道床累積變形的細觀機理…………………

4.4.5120

列車荷載下道床累積變形模擬分析……

4.4.6122

道砟顆粒摩擦因數(shù)對道床變形行為的影響……………

4.4.7123

列車荷載與簡諧荷載下道床累積變形比較……

4.5126

列車荷載等效模擬形式…………………

4.5.1127

道床累積變形比較分析…………………

4.5.2128

第5章有砟軌道路橋過渡段的宏細觀力學行為…………

135

過渡段主要結構形式……………

5.1135

過渡段離散體連續(xù)介質(zhì)耦合模型………………

5.2-137

過渡段基礎結構有限差分模型…………

5.2.1138

離散連續(xù)耦合計算方法…………………

5.2.2-140

軌道過渡段列車動荷載…………………

5.2.3142

過渡段離散連續(xù)耦合模型的試驗驗證…………………

5.2.4-145

不同形式軌道過渡段的宏細觀力學響應………

5.3147

軌道過渡段力學行為的參數(shù)影響分析…………

5.4150

目錄ⅲ

有無楔形填充層時過渡段動態(tài)響應對比………………

5.4.1150

填充層彈性模量對過渡段動態(tài)響應的影響……………

5.4.2154

填充層斜率對過渡段動態(tài)響應的影響…………………

5.4.3156

第6章道床動力穩(wěn)定過程中的力學行為與性能演變……

161

軌道動力穩(wěn)定車及工作裝置……………………

6.1162

全尺寸道床三維離散元模型……………………

6.2166

全尺寸有砟道床建?！?/p>

6.2.1167

全尺寸離散元模型試驗驗證……………

6.2.2169

三種密實狀態(tài)道床的細觀組構特性……………

6.3171

三種密實狀態(tài)道床的力學性能…………………

6.4172

道床支承剛度……………

6.4.1172

道床橫向阻力……………

6.4.2176

道床橫向阻力的分擔……………………

6.4.3179

道床支承剛度與軌道支承剛度的關系…………………

6.4.4183

道床橫向阻力與軌道橫向阻力的關系…………………

6.4.5184

穩(wěn)定作業(yè)時道床的動態(tài)響應分析………………

6.5185

道砟振動響應特性………

6.5.1186

道砟運動的空間分布特性………………

6.5.2190

道床動力穩(wěn)定作業(yè)效果分析……………

6.5.3193

第7章散體道床力學行為分析與調(diào)控技術展望…………

199

道床離散元模擬技術發(fā)展趨勢…………………

7.1199

道床細宏觀力學性能調(diào)控技術展望……………

7.2201

道床宏細觀結構設計與工程應用展望…………

7.3203

第1章緒論

鐵路軌道是由鋼軌扣件軌枕道床和其他附屬設備組成的構筑物是列車行駛的基

、、、,

礎軌道直接承受列車車輪的荷載引導機車車輛運行將列車荷載傳遞給鐵路路基橋梁

。,,、、

隧道等下部基礎結構現(xiàn)代鐵路軌道結構主要分為圖所示的有砟軌道與無砟軌道兩種

。1-1

類型有砟軌道是傳統(tǒng)的軌道結構形式軌枕以下采用了碎石道床具有減振降噪好適應不

,,,、

良地質(zhì)與氣候條件強建設費用低建設周期短破壞后修復快和養(yǎng)護維修方便等突出優(yōu)點

、、、,

被廣泛應用于世界各國普速快速鐵路重載鐵路和高速鐵路相較于有砟軌道無砟軌道

/、。,

采用混凝土瀝青混合料等整體基礎取代碎石道床具有平順性好穩(wěn)定性高使用壽命長和

、,、、

維修工作少等優(yōu)點在近年來新建高速鐵路中得到了廣泛的應用目前世界上所有的普速

,。,

線路和重載線路幾乎全線鋪設有砟軌道日本新干線東海道線主要采用有砟軌道法國

,,、

西班牙和意大利的高速鐵路線路以有砟軌道為主德國高速鐵路約四分之三的線路采用了

,

有砟軌道我國時速或既有線提速鐵路全線以有砟軌道為主新建時速

。200km250km,

及以上高速鐵路在大跨度橋梁等特殊區(qū)段也采用了有砟軌道

250km。

圖現(xiàn)代鐵路兩種主要軌道結構形式

1-1

軌道結構應具備足夠的強度穩(wěn)定性和耐久性并具有正確的幾何形位以保證列車安

、,,

全平穩(wěn)不間斷地運行軌道結構在列車重復荷載作用以及氣候環(huán)境條件的影響下不可

、、。,

避免地產(chǎn)生磨損腐蝕疲勞傷損和殘余變形等病害并使軌距水平方向高低等軌道幾何

、、,、、、

形位發(fā)生改變這些病害或變形必須及時消除否則將加劇輪軌之間的沖擊振動損害軌道

。,,

2高速鐵路散體道床宏細觀力學行為

結構的使用壽命嚴重時還可能導致列車脫軌顛覆事故因此鐵路軌道是一種邊維修邊

,、。,

工作的基礎設施對于有砟軌道由于道砟材料是不連續(xù)非均勻介質(zhì)導致散體道床具有

。,、,

固液兩相特性其宏細觀力學行為相當復雜特別是在列車荷載反復作用下道砟顆粒會

、,。,,

錯動重排發(fā)生棱角斷裂顆粒磨損和粉化使得道床不可避免地發(fā)生質(zhì)量狀態(tài)劣化當外

,、,。

部煤渣砂粒粉塵路基表層土粒入侵和雨水侵蝕以后還會出現(xiàn)翻漿冒泥道床板結等惡

、、、,、

劣現(xiàn)象圖導致道床力學性能迅速惡化需要通過經(jīng)常性養(yǎng)護維修來保持道床服役狀

(1-2),,

態(tài)和性能散體道床狀態(tài)劣化還會引起軌道不均勻沉降影響軌道的平順狀態(tài)增強輪軌之

。,,

間的動力作用并形成惡性循環(huán)最終導致道床甚至整個軌道結構的下沉破壞進而影響列車

,,

的運行安全性和乘坐舒適性據(jù)不完全統(tǒng)計有砟軌道沉降的以上是由道床下沉引起

。,90%

的約的有砟軌道養(yǎng)護維修工作是圍繞整治道床或由道床病害引起的其他軌道病害開

,80%

展的因此自鐵路誕生以來世界各國在道砟材質(zhì)及理化特性道砟級配道床結構形式

。,,、、、

道床施工維護技術等方面進行了大量的理論研究與工程實踐形成了一些規(guī)范性的道床設

,

計建造和維護指南促進了鐵路有砟軌道技術進步

、,。

圖散體道床的典型劣化現(xiàn)象

1-2

然而近年來世界各國鐵路客車的運營速度和貨車的軸重不斷提升有砟軌道狀態(tài)劣化

,,

速率明顯加快維修工作愈加頻繁維護費用顯著攀升因此研究更高速度更大軸重運營

,,,,、

條件下散體道床的狀態(tài)劣化和性能演變規(guī)律開發(fā)有砟軌道強化新措施和養(yǎng)護維修新技術

,,

成為國內(nèi)外鐵路技術研究的熱點之一例如為了提高有砟軌道的承載能力和穩(wěn)定性許多

。,,

國家在新建線路上加大了道床厚度以混凝土軌枕替代木軌枕在道床和路基之間還增設了

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底砟層在既有線路維修過程中逐步以規(guī)范的碎石道砟替代老舊道砟以混凝土軌枕逐步替

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代木軌枕在軟弱土質(zhì)路基段使用土工格柵或織物強化路基表層等近幾年在道床中摻

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混廢舊橡膠顆粒采用聚氨酯固化道床等技術也逐漸得到重視和發(fā)展在上述新一輪有砟

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道床技術研發(fā)中鐵路科技工作者嘗試使用一些新理論和新方法以更全面揭示有砟道床的

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力學行為及其性能演變規(guī)律如采用離散單元法刻畫道床的細宏觀力學行為使用車輛軌

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第1章緒論3

道耦合動力學