在高速铁路有砟轨道中,散粒体道床已经成为轨道结构中比较薄弱的环节,严重影响着高速铁路在长期服役下的行车安全性、舒适性和轨道养护维修工作量。随着客运高速化和货运重载化为特征的现代铁路网成为国家交通发展的重大战略,针对有砟轨道高速化和大运量带来的长期服役下的一系列问题,开展与之相关的基础理论研究和关键技术开发迫在眉睫。然而基于连续介质的弹塑性模型难以准确描述级配碎石细观组构、支撑骨架、散粒体颗粒性和力学非线性,也无法在颗粒尺寸分布(级配)范围内分析和研究不同粒级道砟形态特征对材料宏观力学性能的影响,而级配碎石道砟颗粒尺寸分布和形态特征对集料力学性能具有重要影响。因此针对铁路级配碎石复杂的形态特征和散粒体特性,引入离散单元法(DEM),一方面可以从道砟形态特征出发开展道砟的细观接触力学行为研究和探索级配碎石道砟的力学性能演变规律；另一方面还可以通过数值模拟完成一些由于经费、时间、技术等因素制约而无法实施的室内试验和现场检测,从而提高试验效率,丰富研究手段。本文主要研究内容如下：1、本文以西南交通大学轨道交通实验室铺设的高速铁路道砟为研究对象,建立高速铁路道砟数据库样本。针对道砟本身的宏观形状、中观棱角以及细观纹理的形态特征,基于数字图像处理技术(DIP),应用碎石块体形态分析方法,开展道砟形态特征的描述方法研究,然后编制级配生成程序,研究其级配条件下的形态特征量化方法。结果表明,傅里叶形态分析方法很好地直接地反映了道砟的真实形态特征,并据此提出了高速铁路级配碎石的形状、棱角和纹理特征量化方法。2、基于DIP采用形态特征分析方法探索级配粒级判定阈值Xb的修正方法和道砟片状阈值,针状阈值的确定方法及其形态量化方法,为基于DIP的级配碎石筛分系统的应用提供了理论基础。3、应用DIP,基于PFC2D研究了高速铁路道砟DEM建模方法,相比四边形单元法,本文以六边形单元法建立高速铁路道砟模型。然后编制了级配生成程序组装级配碎石双轴数值模型,探索理想道砟(球形颗粒)细观参数和真实道砟的单元球粒径对级配碎石剪切破坏过程和应力-应变规律的影响,并验证了模型的正确性,为真实道砟的数值模拟确定了合理的细观参数范围。4.基于傅里叶形态特征量化方法和PFC2D级配碎石建模方法,开展了不同傅里叶量化指标的级配碎石数值模拟试验和可破碎道砟的数值模拟分析。并说明了建立的PFC2D道砟模型和级配碎石傅里叶形态特征量化方法在散粒体道床的实际工程和应用中的前景。