道床是有砟轨道的重要组成部分,由尺寸和形状各异的碎石颗粒组成,列车高速运行时道床受到的动应力频率和幅值显著提高,使颗粒更易发生相互错动和重新排列,加速道床沉降发展,对列车运行安全和乘坐舒适性产生不利影响,增加养护维修工作量。因此,正确认识道砟颗粒间相互作用及其流动变形规律,明确道床累积变形发生机理和发展规律可帮助有效控制道床沉降。本文通过开展室内试验,相应地建立离散元模型,结合颗粒尺度行为研究了高速铁路有砟轨道道床累积沉降及控制的细观机理。主要结论有:(1)利用多视图三维成像方法准确获取了道砟颗粒形状特征参数,建立了代表道砟典型形状特征的颗粒模型库,将其引入到多面体单元离散元程序,提出了模拟颗粒真实形状特征的离散元计算方法。(2)建立了道砟直剪试验离散元模型,通过试验测得的剪切应力-应变关系验证了该离散元计算方法的可靠性;提出了颗粒形状影响道砟宏观力学行为的细观机理,当颗粒棱角指数和长细比增大时,颗粒间接触作用增大,形成更强的骨架结构,限制了颗粒运动,使道砟剪切强度和抵抗变形能力升高。(3)建立了道砟三轴试验离散元模型,分析了道砟强度及累积变形规律,提出颗粒运动累积是试样在循环荷载作用下塑性变形发展的细观机理,改变围压和试样压实度会使颗粒运动行为变化,导致试样出现不同塑性变形。(4)开展了全比尺有砟轨道路基物理模型试验,当列车速度较低时,道床累积沉降增长速率较小,且很快达到稳定,而当列车速度增大达到300km/h,尤其是轴重为22t时,道床最大振动速度幅值达37.5mm/s,如此强烈的振动使道床更易达到不稳定状态,同时道床受到的动应力水平大幅提升,使其累积沉降快速增长,且很难稳定下来,降低道床维护周期。(5)建立了有砟轨道离散元模型,分析了两种不同加载方式对道床累积沉降的影响,道床在经历相同周次加载,累积沉降趋于稳定时,移动轮轴加载使道床塑性变形增大约60%;提出了移动轮轴加载使道床产生更大沉降的细观机理,相比于定点循环加载,移动轮轴加载让更多颗粒产生更大角度的主应力轴旋转,显著增大了颗粒纵向运动幅度,同时也使颗粒竖向位移及旋转角度上升,加速颗粒重新排列,进而使道床发生更大沉降。(6)建立了土工格栅加固道床离散元模型,分析了土工格栅加固作用机理及加固范围,土工格栅加固增大了被动剪应力及侧向约束应力在道床中分布范围及幅值,显著降低了颗粒的侧向位移,同时使颗粒旋转角度减小,从而限制道床累积沉降发展;土工格栅最佳加固区域是距其上方67mm高度范围,颗粒侧向位移降低幅度最大。