季节冻土区铁路路基冻胀研究进展

研究目的:冻胀问题是深季节冻土区高速铁路路基面变形控制难点之一。高速铁路对路基变形要求极高,特别是无砟轨道,冻胀变形更增加了其控制难度。鉴于加深高速铁路路基冻胀研究的必要性和紧迫性,本文系统总结近年来季节冻土区铁路路基冻胀的研究进展。研究结论:(1)季节冻土区铁路路基的防冻胀设计方法:德国、法国、日本等国都是通过冻结指数确定冻结深度,在冻结深度范围内填筑非冻胀填料,我国的不同之处在于采用标准冻深计算设计冻深;(2)季节性冻土冻胀形成机理包括水分迁移和成冰作用,冻胀发生三要素是:负温、细粒土和水,控制冻胀的措施主要为三类:保温、改良填料和改良水分,并分别总结介绍其研究成果及进展;(3)展望了未来的研究方向:加强现场监测和仿真分析;(4)本研究结论可为进一步研究高速铁路路基冻胀提供参考。     

季节性冻土区高速铁路路基冻深研究

针对季节性冻土区高速铁路路基冻胀的最大变形量应小于5mm的严格要求,开展季节性冻土区高速铁路路基冻深的研究。在综合分析国内外相关冻深求解方法的基础上,提出采用改进的Berggren法计算高速铁路路基设计冻深的公式。该公式考虑了路基的热力特性、气象条件以及地基条件,适用于特性各异的多层土路基。运用现场监测和基于比奥固结理论的有限元仿真分析方法及改进Berggren法,对某典型冻土区段高速铁路的路基冻胀及温度场和位移场进行测量、计算和分析,结果表明:路基冻深的发展历经较浅且小幅波动、向下快速发展且达到最大、逐渐减小和浅层小幅波动等阶段;路基冻胀变形主要发生在冻深的70%范围内;该典型冻土区段最大冻深的有限元仿真计算值为1.98m,改进的Berggren法计算值为1.94m,与实际监测值1.90m的计算误差分别仅为4.2%和2.4%,表明有限元仿真分析方法和改进的Berggren法均为确定路基冻深的有效手段。     

兰新高铁甘青段路基冻胀自动监测及分析研究

为查明兰新高铁甘青段路基冻胀变形原因和影响因素,提出相应的冻胀处理措施,将路基冻胀变形控制在允许范围之内,采用自动监测系统,对路肩以下5 m范围内路基的冻结深度、水分、冻胀变形等进行监测,并对监测结果进行统计分析和深入研究。研究结果表明:路基冻结深度的发展主要受气温的影响,基床表层以下填料含水量随着冻结深度增加缓慢增加;基床表层及基床底层上部1.0 m范围冻胀量占总冻胀量的80%以上;低路堤地段冻胀最严重。为减少路基冻胀量,设计及施工时应采用全冻结深度防冻胀方案,以填料防冻胀为主,辅以防水、疏水和隔热等综合措施;低路堤地段防冻胀措施应适当加强。     

季节冻土区防冻胀护道对保温路基地温特征影响效果研究

运用土壤冻结条件下水热耦合输移基本方程及数值方法,考虑在铺设保温层情况下,加铺防冻胀护道对路基地温特征的影响规律,并与未加铺防冻胀护道的情况进行对比分析。结果表明:铺设保温材料对减小路基中部附近土体季节冻结深度有明显作用,但对路基两侧冻结深度影响相对较小;加铺防冻胀护道对边坡下土体季节冻结深度有一定程度的抬升作用,上升幅度由路基坡脚向路肩逐渐减小,但对路基中部附近土体季节冻结深度影响甚微;保温板-防冻胀护道复合路基结构形式,充分利用两种措施优点,对路基中心、路肩以及坡脚下最大冻结深度抬升的综合效果更好,抬升最大值分别为1.48、1.01、0.68 m。     

XPS保温板在高速铁路路基结构防冻胀措施中的应用

在严寒地区,引起高速铁路路基冻胀的因素主要为填料细颗粒含量、填料含水量及地温。为测试路基基床表层铺设XPS保温板的防冻胀效果,选取某客运专线DK115+373～DK115+603段为试验段,测试不同防冻胀措施(XPS保温板、基床表层毛细排水板)条件下路基温度场规律、含水量分布、防冻胀效果及冻胀变形特征。研究表明,路肩两侧冻结深度较路基中心大,受阳坡、阴坡影响也更为显著;路基横断面含水量分布随深度增加而增大,不同断面同一深度含水量变化不大; XPS保温板可有效阻止热量在路基垂直方向上的传导,从而减少路基最大冻深;且毛细排水板可防止基床表层水渗透至基床底层。     

季节性冻土地区高速铁路路基保温技术试验研究

合理的防冻胀基床结构是季节性冻土地区高速铁路防冻胀的关键。本文通过开展哈大高速铁路正线与线外现场足尺试验,对局部保温措施与全断面保温措施的有效性进行了研究。试验结果表明:路肩和线间局部保温措施只能减小保温部位的冻结深度和冻胀,不能抑制轨道结构处的冻胀,不适用于季节性冻土地区高速铁路防冻胀设计;全断面保温措施能够降低轨道结构处的冻结深度和冻胀,有较好的防冻胀效果,季节性冻土地区高速铁路路基可采用全断面保温基床结构进行防冻胀设计。     

路基的填料冻胀分类及防冻层设置

我国冻土区铁路路基表层的冻胀病害严重,且没有相应的路基填料冻胀性分类标准。在分析路基的冻胀特性、影响路基冻胀的因素、路基冻害整治中存在的问题的基础上,借鉴国内外地基土的冻胀性分类,并结合铁路路基填料分类的特点、铁路线路冻胀限高和维修标准,提出铁路路基填料冻胀性分类方案,并建议在冻土区设置路基防冻层。路基填料冻胀性分类方案以各类土的细粒含量、冻前含水量和冻胀高度为指标,进行冻胀敏感性和冻胀等级两级分类。路基防冻层应用细粒含量<5%的砂类和细粒含量<15%的砾类、碎石类不冻胀土填筑,防冻层的厚度根据路基的标准冻深。列车的运行速度和载重量确定。     

防冻胀护道型式对季冻区高铁路基冻结特征影响分析

基于哈大高铁典型断面的实测数据,运用非稳态相变温度场的数学模型及数值模拟的方法,采用有限元软件COMSOL Multiphysics对路基温度场进行了数值模拟,着重研究了不同型式防冻胀护道对季节性冻土区路基冻结特征的影响,分析了其对路基横向地温及横向冻深差异的消除效果。得出结论:增大防冻胀护道的高度可有效减少冷量从两侧侵入路基,能有效减小路基冻深;根据现有研究,建议在修建南北走向季节性冻土区高速铁路路基时采用阳坡侧较低,阴坡侧较高,且阴坡侧护道高度与路基齐平的非对称型式护道,以最大限度减小路基横向地温及横向冻深差异。     

高纬度严寒地区高速铁路路基防冻胀设计研究

为抑制严寒地区高速铁路路基冻胀变形量,满足铺设无砟轨道的要求,充分吸取换填、防水、保温等冻胀防治方法的最新研究成果,通过再创新,形成一种包含有防冻层、隔排水、局部保温的综合防冻胀技术,并应用于哈大高速铁路实际工程中。通过现场试验研究,得出采用该项技术路基冻胀量普遍小于4mm,防冻胀效果满足设计要求的结论。同时根据哈大线后期路基冻胀进一步深化研究成果,对哈大高速铁路路基冻胀规律进行总结,对路基防冻胀设计中如不冻胀土的判定标准、设计冻深的采用与修正、级配碎石掺水泥用于防治冻胀的优劣等几个问题进行进一步探讨,从实际应用方面提出建议和意见。     

季节性冻土地区路基冻结深度试验研究

在季节性冻土地区修建无砟轨道铁路,路基冻胀变形控制是突出技术难题。通过对填筑粗颗粒填料的路基、天然地基与保温路基的温度及变形测试,确定不同土质冻结指数与冻结深度的关系,证明设置保温层可以降低冻结深度,是路基冻胀变形控制的一种有效措施。     

严寒地区客运专线路基冻胀影响因素及防治技术

在介绍路基冻胀机理的基础上,对影响严寒地区铁路客运专线路基冻胀的主要因素进行了分析,从地基防冻胀处理、路基防冻胀结构设计、路基排水三个方面提出了具体的防治技术,并通过工程实例观测表明,本文的综合防治技术有效地防止了冻胀变形的发生,实现了路基的变形控制目标.     

客运专线路基工程的防冻胀处理措施

季节性冻土区路基冻胀和融沉使路基产生不均匀变形,是影响铁路运行速度和安全的重大隐患之一,解决路基冻胀问题是季节性冻土区路基设计的关键。结合哈大客运专线沈大段路基工程设计情况,对季节性冻土区客运专线路基工程防冻胀处理措施进行了说明。     

季节性冻土区铁路客运专线路堑路基冻害成因分析及对策研究

以季节性冻土区哈大铁路客运专线路堑路基冻害为背景,通过原位挖探及室内试验,对石质路堑路基冻害成因及基岩冻胀主要影响因素进行了研究。结果表明:基床表层级配碎石各项物理指标符合非冻胀性填料要求,无明显冻胀;基岩冻胀是形成石质路堑路基冻害的主要原因;岩体渗透性、地下水、温度及工程条件等是基岩冻胀的主要影响因素。提出了设置地下降排水设施、增设防冻层和隔断层等工程对策防治路堑路基冻害。在今后铁路客运专线建设中,建议设计时在岩体等级确定、路基设计冻结深度选取方面应进行必要的修正;在渗水盲沟深度和防冻层厚度确定上应结合地下水位临界深度考虑加上最小距离d,建议岩石类d取0.4 m。     

高寒地区高速铁路路基冻深试验研究

根据自动监测的哈大高速铁路沿线不同区段大气温度和路基冻深数据,研究哈大高速铁路沿线路基冻深的发展变化特征。结果表明:路基的冻深发展过程可分为快速发展和双向融化2个阶段,最大路基冻深可达300cm;在路基冻深快速发展阶段,路基冻深的发展速率随着里程的增大而增大,全线路基冻深的发展速度在1.11~2.89cm·d-1之间;在双向融化阶段,深层融化线的上升速度约为1.36cm·d-1,而表层融化线的上升速度约为3.86cm·d-1;由于大气温度波动较大,很难直观反映其对路基冻深的影响,因此采用冻结指数分析大气温度对路基冻深的影响,冻结指数与路基冻深的关系可用对数函数拟合;与土壤最大冻深相比,路基最大冻深普遍偏大,这是由于在哈大高速铁路的路基冻深范围内所用非冻胀填料与天然土壤相比细颗粒少、含水率低、导热系数高所致,因此,在进行冻深计算时应充分考虑填料的热物特性。     

疏排下渗措施在铁路路基防冻胀技术中的应用研究

我国东北地区已经进入大规模的铁路建设时期,但由于东北地区广泛分布的冻胀敏感性土及丰富的地下水都为铁路路基防冻胀设计造成更大的难度。在已有研究的基础上,通过对东北地区铁路路基完成段监测,系统提出"疏排下渗"的路基冻胀控制措施,建立了现场试验段并开展了长期冻胀监测。经过三个冬季的现场监测与结果分析,渗水盲沟措施对降低路基冻胀量起到了一定的效果,与未采用渗水盲沟措施时相比,最大冻胀量与平均冻胀量均有所下降。     

京沈客专季节性冻土区路基结构防冻胀技术

针对京沈客专TJ-8标段季节性冻土区路基工程特点,结合路基工程防冻胀技术原理,以及冻土地区现有工程冻害特征和表现形式,详细分析了客专路基在当地气候条件下的冻结深度,并依据当地原材料特点,提出路基防冻胀综合治理技术,细化了施工配合比,明确了各道工序的施工控制要点。此外,结合本工程的长期沉降观测数据分析,对路基质量进行综合评价,确保了京沈客专季节性冻土区路基结构的稳定性。     

换填法抑制季节冻土区铁路路基冻胀效果分析

以沈哈线路基A、B组填料为研究对象,采用室内冻胀试验,研究粉黏粒含量对其冻胀特性的影响.试验表明:路基填料的冻胀系数随粉黏粒含量增加而增加,且增幅逐渐增大;结合沈哈线路基基床厚度及沿线最大冻深,为保证路基不产生冻胀破坏,应确保换填用路基A、B组填料中不含有粉黏粒.采用非稳态相变温度场的数学模型和热弹塑性冻胀模型,进行沈哈线换填试验段冻土路基冻融过程温度场及冻胀应力、变形场计算分析.结果表明:天然地面下2m左右为冻融活动层,是诱发路基土体冻胀的主要因素;用非冻胀性A、B组填料换填基床厚度范围内的冻胀性土层后,路堤填筑土体无冻胀变形产生,路基中的拉应力(拉应变)区域外移到距离路堤坡脚4m以外的天然地表下土体,大大减弱了对路堤的破坏作用,计算结果与实际情况相符.     

季节冻土区保温法抑制铁路路基冻胀效果研究

模拟气候因素变化过程,得到不同时期冻土路基温度场分布,温度场随时间的变化可以反映出冻结相变区的变化;进一步分析表明,铺设保温板后,对路堤中心下冻结深度线的提升具有显著的作用,但对坡脚附近土体冻结深度线影响甚微,应当做好路基边坡防护工作.考虑土体体积力和土体冻结相变产生的膨胀力,采用热弹塑性冻胀计算模型,得到冻土路基冻胀时的变形和应力分布.在此基础之上,对冻土路基发生最大冻胀时的变形场和应力场进行分析,结果表明:利用保温法增大热阻,推迟或预防地基土的冻结,可明显减小路基冻胀隆起变形,使路基中拉应力(拉应变)减小;铺设保温板后路基坡脚附近天然地表下季节冻结层土体仍发生较大冻胀变形,其冻结时巨大的冻结膨胀力对路堤边坡仍有一定的破坏作用.建议与换填法相结合,改善坡脚附近冻胀敏感性土的土质,减弱其冻胀性,从而减小冻胀力对路堤的破坏作用.     

哈大高速铁路路基冻胀自动观测和深化分析研究

哈大高速铁路通车后,路基冻胀变形控制是其一项重要任务,为查明路基冻胀机理,探索适用的冻胀处理措施,对路基冻胀进行自动观测和深化分析研究。采用自动观测系统,对路肩以下5 m范围内路基的地温、水分、冻胀变形等进行观测,对观测结果进行统计分析和深化研究,研究结果表明:路基冻胀可分为5个阶段,冻深介于100~300 cm,基本上随着纬度的增大而增大;基床表层冻胀量占总冻胀量的40%~94%;融沉变形稳定后,存在4mm以内的残余变形;路堤与路堑的冻胀发展过程极为接近,但路堤的冻深一般大于路堑,路堤的冻胀量一般略大于路堑。     

新建牡绥铁路路基冻胀监测与研究

季节性冻土地区铁路普遍存在路基冻胀问题,路基冻胀影响铁路的运营安全。采用基于物联网技术的冻胀监测系统及水准测量方法对牡绥铁路路基进行冻胀监测,并对监测成果进行统计分析,研究牡绥铁路路基冻胀规律。监测结果表明:2014~2015年度牡绥铁路路基冻胀变形普遍较小,处于可控状态。