有砟轨道结构目前仍是我国铁路交通运输的主要承载结构。随着近年来列车载重和车速的不断提高,对有砟道床的承载能力提出了越来越高的要求。在长期列车载荷作用下,有砟道床会出现不均匀沉降、道床弹性降低、脏污板结等问题,严重影响轨道结构的平顺性和稳定性。为掌握有砟道床的宏细观动力演化特征,有必要采用试验和数值模拟的方法从宏细观尺度对有砟道床的动力特性和劣化机理进行分析,为铁路有砟道床的结构设计和延长轨道服役周期提供理论指导。本文以前进面几何排列算法为基础,提出了一种改进的球形颗粒排列算法,可用于快速构造非规则形态的道砟。针对道砟集料的非连续分布特征,采用离散单元法（DEM）,并建立可模拟道砟颗粒破碎的粘结单元模型和不可破碎的镶嵌单元模型,对道砟颗粒的粒径、形状,有砟道床的级配、孔隙率等细观特征进行精确的模拟。采用GPU并行算法开发了有砟道床的并行计算程序,建立了直剪试验和工程尺度有砟道床离散元计算模型,对道床在往复载荷作用下的动力过程进行了大规模离散元数值分析。本文的主要研究工作包括:（1）建立了基于前进面算法的球形颗粒几何高效排列算法。为对任意形态的封闭结构进行致密填充从而生成各向同性的颗粒数值试样,以前进面算法为基础,采用空间网格化方法进行改进,简化了颗粒排列过程中的接触判断搜索,有效提高了几何排列算法的效率。通过分析立方体标准排列试样的平均配位数、体积分数和结构对称性,得到了由本文改进算法生成的颗粒排列试样的几何特性与颗粒粒径比的关系。最后通过立方体标准算例,对影响颗粒几何排列效率的因素进行了分析,包括网格比大小、初始颗粒生成点,得到了颗粒几何排列的最优网格比和初始颗粒生成点位置。（2）开展了铁路道砟颗粒的压缩破碎试验,并进行了离散元数值模拟分析。对单道砟颗粒进行压缩破碎试验并记录压碎过程中的荷载-位移响应,统计分析三个粒组道砟颗粒的拉伸强度分布特征并进行KS拟合优度检验。分析了道砟材料的力学性质与其数值试样的平均配位数、弹性模量的关系并确定取值。通过单轴压缩和巴西圆盘劈裂试验及其离散元模拟,对道砟材料宏观基本力学参数与微观颗粒单元力学参数之间的关系进行了研究,从而对离散元计算参数进行确定。对道砟颗粒的压缩破碎试验进行离散元数值模拟研究,分析了道砟压缩破碎过程中内部力链的演化和粘结断裂数的增长过程,揭示了道砟的破碎机理。离散元数值模拟得到的各粒组道砟拉伸强度符合威布尔概率分布,与道砟压碎试验得到的结果基本一致。（3）进行了细小颗粒对道砟集料剪切性能影响的直剪试验和离散元分析。采用大型直剪仪对含煤粉和细砂道砟集料进行直剪试验,确定道砟集料的剪切强度与法向应力和细小颗粒含量的关系。结果表明煤粉和细砂两种细颗粒均会降低道砟集料的剪切性能,但煤粉的影响更为显著。采用离散元方法对道砟集料直剪试验进行数值模拟,分析了道砟颗粒间接触对总数在直剪过程中的变化规律,并结合道砟颗粒和细砂颗粒的运动特征,对细砂颗粒改变道砟集料剪切强度进行了细观分析。考虑煤粉与细砂材质的不同,重新选取部分离散元计算参数,对含煤粉道砟集料的剪切行为进行研究分析,得到了与试验一致的结果。（4）开展了往复载荷作用下有砟道床累积变形行为及其劣化机理研究。基于高性能GPU并行算法发展工程尺度有砟道床离散元数值计算模型,并建立了非规则道砟颗粒接触的高效搜索算法。在不同载荷频率和幅值作用下分析了道床的动力特性。结果表明,载荷幅值的提高对道床的累积沉降影响显著。在高频载荷作用下,道床累积沉降将急剧增大。通过分析道砟颗粒的接触滑动分数和相对旋转角,研究引起道床累积沉降的细观机理。最后,对本文的主要研究内容进行了总结,并对有砟道床动力特性的后续研究中的主要问题进行了讨论和展望。