季节性冻土区路基基床粗颗粒土填料冻胀特性研究

季节性冻土区高速铁路路基冻胀病害日渐突出,路基冻胀对施工的影响也不容忽视,研究路基基床填料的冻胀特性对路基冻胀防治具有实际意义。选取东北某客运专线路基基床底层A、B组填料作为试验土样,通过不同含水率、不同细粒含量、不同冻结温度条件下的冻胀试验,研究各参数对冻胀率的影响。试验结果表明:该填料冻胀率随着含水率的增加而增大,细粒含量15%的粗颗粒土仍会发生冻胀;该填料冻胀率随着细粒含量的增加而增大;填料冻结温度直接影响该填料的冻结过程,进而对其冻胀率产生影响。     

高速铁路路基填料中细颗粒分布特征及其对冻胀的影响

采用X-CT、压汞、扫描电镜、核磁共振、冻胀试验等方法,研究不同细颗粒含量下严寒地区高速铁路路基粗颗粒填料的微观结构及冻胀特性,发现填料中细颗粒分布具有明显的簇团特征,水分主要存在于簇团结构中,冻胀率、簇团率、细颗粒含量之间呈显著的线性关系。试验结果表明:簇团率随着细颗粒含量的增加线性增大,当细颗粒含量在3%~15%时,簇团率增长最快;100μm以下的中小孔隙作为孔隙水的主要持水结构主要分布于簇团中;填料的冻胀率与簇团率呈线性关系,簇团率超过2%后冻胀率快速增大,当簇团率超过8%、对应的细颗粒含量超过15%时,冻胀率将超过1%。本文提出细颗粒簇团及其分布与持水特征,可以用于解释细颗粒在粗颗粒填料冻胀中的作用机理。     

高速铁路路基粗颗粒填料冻胀特性研究

研究目的:在季节性冻土区修建高速铁路,路基冻胀变形控制是关键性难题,影响轨道的平顺性与列车运营的安全性。粗颗粒填料是国内外路基工程包括高速铁路防冻层广泛采用的填料,研究高速铁路路基粗颗粒填料冻胀特性对高速铁路路基的防冻胀,保证轨道的平顺性具有重要的意义。研究结论:通过室内和现场试验,开展了不同配比粗颗粒土的冻胀特性研究。试验结果表明:(1)粗颗粒填料在满足路基压实条件的前提下,可有效控制路基冻胀变形;(2)通过改进的室内冻胀试验,能够使试验中土样的均匀性和压实效果更接近现场工程的实际情况,从而使得试验结果更加可靠;(3)通过合理控制粗颗粒填料组分、级配、细颗粒含量等设计参数,可以达到较好的防冻胀效果;(4)本研究成果可应用于严寒地区高速铁路路基的防冻层,能够有效抑制路基冻胀,保证轨道的平顺性。     

高速铁路路基基床表层低细颗粒含量级配碎石冻胀机理研究

在我国寒冷地区,高速铁路路基的防冻胀结构设计,是需要重点考虑的问题。在高速铁路路基的设计施工中,采取了控制细颗粒含量、设置隔水层、加强排水等一系列防冻胀措施,但铁路路基冻胀病害仍时有发生。为了掌握高速铁路路基基床表层冻胀病害特点及原因,对低细颗粒含量的级配碎石填料进行了试验研究。结果表明:随着细颗粒含量的增加,级配碎石的冻胀敏感性增加,冻胀量增大;且细颗粒含量越大,外界水分对路基填料土体的冻胀影响越大;土体的渗透系数越大,其抗冻能力越强,当渗透系数大于10~(-3)时,土体的冻胀系数小于1;通过对低细颗粒含量级配碎石冻胀机理的分析,得出粗颗粒骨架接触部位的水及粘粒颗粒是引起低细颗粒含量级配碎石冻胀的主要原因。     

掺煤矸石高速铁路路基填料冻胀特性试验研究

使用自行研制的单向冻胀试验系统,对高速铁路路基普通填料和掺煤矸石填料进行开放系统和封闭系统条件下的单向冻胀试验。试验结果表明:在冻结过程中掺煤矸石填料与普通填料的温度传导特性相近,总吸水量接近,冻结后水分的分布规律类似;掺煤矸石填料的冻胀量比普通填料稍大,但处于冻胀不敏感范围,且在不补水条件下会大幅减小。在季节性冻土区,对煤矸石废弃物进行产地再利用,采用掺煤矸石填料填筑高速铁路路基,能满足高速铁路路基的冻胀稳定性要求,具有可行性。     

封闭条件下粉土填料冻胀特性试验研究

以神朔(神木—朔州)铁路路基冻害严重地段路基填料中低液限粉土填料作为试验土样,进行由上向下冻结的室内封闭系统冻胀试验,分析压实系数、含水率、冷端温度对其冻胀特性的影响。结果表明:低液限粉土填料的初始冻胀含水率和最优含水率相当,约为15%;随着土体初始含水率从15%增大到21%,冻胀量和冻胀率出现显著增大;含水率和压实系数相同时,冷端温度的降低会导致前期冻胀速率增大,冻胀量和冻胀率逐渐增大;其他条件相同时,随着压实系数从0.89增大到0.93冻胀量和冻胀率也略有增大。     

兰新高速铁路高寒区涵洞及涵路过渡段冻害原因分析

通过调查兰州至乌鲁木齐高速铁路浩门—大梁区间线路冻害情况,水文地质、工程地质及气象条件,分析涵洞及涵路过渡段冻害产生的原因,并提出冻害整治措施。研究结果表明:兰新高速铁路浩门—大梁区间位于深季节冻土区,冻害多发生于低路堤、浅路堑、零断面换填路基、涵洞及涵路过渡段,且涵洞和涵路过渡段冻胀量较大;发生冻害涵洞为下沉式小型涵;路基和涵路过渡段基床底层及以下部位多为细颗粒含量较多的B组粗颗粒填料,填料含水率约13. 4%～15. 0%,属于弱敏感～敏感性冻胀填料。可采取设置渗水盲沟、入冬前封堵涵洞出入口等措施防治冻胀。对于冻害严重的涵洞及涵路过渡段可在涵洞内壁铺设保温材料,涵路过渡段中设置纵向疏干排水孔、两侧设置保温护道。     

兰新铁路路基冻结过程中水分迁移及冻胀规律试验研究

通过室内冻胀试验,研究兰新铁路路基冻结过程中水分迁移和冻胀规律。结果表明:冻结后,封闭系统下试样上部含水率增大,且随初始含水率增大而增大,压实度对其影响较小,而下部含水率减小,中部含水率基本不变;开放系统下试样上部和下部的含水率均增加较多,且随压实度的增大而减小,中部含水率增加最少,但随压实度的减小和初始含水率的增大而增大。封闭系统下,试样的冻胀率随初始含水率的增加和压实度的减小明显增加,开放系统下各试样均会发生特强冻胀。兰新铁路路基基本处于封闭系统,其起始冻胀含水率在塑限附近,冻结过程中约有6.3～53.6mm的冻胀量,且极易发生严重的春季融沉病害。单纯采用增大路基压实度的方法不能有效整治路基冻融病害,而采用疏干排水孔群放软式透水管方法,可有效地隔断水分迁移的通道,并使融化水排出路基本体外,能有效整治路基冻融病害。兰新铁路K411+326里程路基采用该措施后,路基的平均最大冻胀量从38mm降至仅有2mm左右。     

高速铁路改良粗颗粒填料冻胀特性试验研究

针对寒区高速铁路出现的路基冻胀问题,为改良其渗透性和冻胀特性,从路基的粗颗粒填料入手,加入无机材料进行试验,并以冻胀率不超过0.1%为标准,研究粗颗粒填料级配碎石的改良材料类型、最佳配比等技术参数。结果表明:相对于石灰和粉煤灰,掺入水泥可以大幅度减小级配碎石的渗透系数和冻胀率,从而减少水分向填料内部的渗透以及抑制填料的冻胀;在开放补水的冻胀试验条件下,在分别掺入15%,20%和25%粉土的级配碎石中对应掺入3%,5%和5%的水泥,可将冻胀率控制在0.1%以内,说明在粗颗粒填料中掺入水泥后,适当增加粉土的含量并不会使填料产生过大的冻胀变形,从而解决寒区高速铁路路基的冻胀变形问题。     

隔热层对季节冻土区无砟轨道路基冻胀防治的适应性分析

结合客运专线无砟轨道路基的工程结构及我国东北地区季节冻土的工程特点,通过对粗颗粒土的室内冻胀试验,得出随着细颗粒含量的增加,粗颗粒土的持水性和冻胀率都相应增大;当粗颗粒土中小于0.075 mm细颗粒含量为5%时,土样经饱和再排水条件下冻胀率为1.31%。根据哈齐客运专线季节冻土区的地质及气候条件,采用有限元数值方法分别对季节冻土区既有和新建的客运专线无砟轨道路基设置隔热层后的路基温度场进行了对比分析,计算结果表明:对于新建路基,在路基面铺设10 cm厚隔热层和保温护坡措施后路基的保温效果良好,可以起到对路基冻害的预防作用;对于既有路基,采用在路基面(轨道板处除外)和边坡位置铺设隔热层措施,路基的保温效果不明显。     

兰新铁路路基土冻胀特性试验研究

本文通过用不同含水量、不同密实度的封闭系统冻胀试验和开放系统冻胀试验,研究了兰新线路基土冻胀特性。试验结果表明,在封闭系统和开放系统下冻胀率均随含水量的增大而增长,随压实度增加而减少。由于水分的补给,开放系统下的冻胀率远大于封闭系统下的冻胀率。     

季节冻土地区高速铁路路基设计

哈大和哈齐铁路是季节冻土地区高速铁路无砟轨道路基冻胀变形控制方面非常具有代表性的工程,本文通过对两个项目防冻胀设计措施、变形监测结果及相关研究成果的介绍,阐述了对路基防冻结构、防冻层厚度、防冻填料技术要求、路基冻胀变形发展规律等的认识:(1)混凝土基床是特殊条件下的路基防冻解决方案,一般应满足地下水位较高或常年积水且不具备降排水条件的低路堤地段;(2)季节冻土地区采用填料填筑的路基会发生冻胀变形,防冻层填料满足一定要求前提下,冻胀变形不会影响线路平顺性,可以保证高速铁路安全平稳运营;(3)冻胀变形小于4 mm的百分比随着时间的推移逐渐增加是东北地区各条高速铁路路基冻胀变形的共同特点,说明路基抗冻胀变形能力的稳定需要一定的时间;(4)反复出现的大的冻胀变形往往是填料细颗粒含量超标较多或者明显排水不畅的地段。施工期通过变形监测及时发现可能形成冻害的隐患并进行治理是非常重要的。     

考虑补水条件的长白铁路路基土冻胀特性试验研究

水作为季冻土发生冻胀的主要条件之一,对土体的冻胀特性有显著影响。本文选取长白铁路扩能改造工程CBSG-3标段沿线不同路基土样,基于开放系统下的室内季冻土冻胀试验,开展-15℃下的单向冻结补水试验,探究不同土样在饱和补水和非饱和补水工况下的冻胀特性。结果表明,不同土样冻胀量发展大都经历三个阶段:快速增长—缓慢增长—保持稳定;土样本身含水率和外界水源都可显著增加土的冻胀率,在饱和补水与非饱和补水工况下,淤泥质粉质黏土冻胀率最大分别为38.8%、31.2%,粉砂土的冻胀率最小分别为21.7%、11.1%。基于研究结果,制定不同路段的路基防冻胀措施。     

丹大铁路路基冻害原因分析及整治对策

结合丹东—大连铁路设计标准并针对其开通以来发生的路基冻胀问题,通过现场取样分析、数值模拟计算分析路基冻胀成因,研究处理对策。结果表明:路基发生冻害的主要原因为基床底层填料不良且其细颗粒含量较高,涵洞顶存在双向冻结现象。建议采取强化疏排水、不良填料改性和填料强化置换等措施在夏季、秋季进行综合整治,以减少或消灭冬季冻害,降低冬季现场作业频次。     

微冻胀填料中填充料冻胀与骨架颗粒的相互作用机制

针对季节性冻土地区路基冻胀对高速铁路平顺性影响的问题,运用室内试验与理论分析相结合的方法,研究填充料、含水率及外荷载等因素对微冻胀填料冻胀的影响,并分析冻胀过程中填充料与骨架颗粒之间的相互作用机制。结果表明:微冻胀填料由粗粒骨架、骨架颗粒之间的填充料及未填充的剩余孔隙组成;当填充料填充率为0.25时,填料发生初始宏观冻胀;上覆荷载具有抑制填料冻胀的作用;冻结过程中刚度较大骨架粗颗粒的体积基本不发生变化,而填充料体积发生膨胀起到填充骨架颗粒间剩余孔隙和抬升骨架颗粒的作用,引起宏观冻胀;当骨架颗粒间的剩余孔隙率较大时消纳作用强,同时削减了抬升作用,而抬升作用使骨架颗粒间的间隙增大,从而又促进了填充料填充作用的发展;当骨架结构稳定时,填充料的填充作用明显;微冻胀填料的冻胀过程实际上是填充料的填充作用与抬升作用的动态平衡过程。     

基于X-CT扫描成像技术的级配碎石冻结状态细观研究

以高速铁路基床表层级配碎石为研究对象,基于X-CT扫描成像技术进行级配碎石冻结状态细观研究。利用X-CT扫描技术结合图像处理技术重构冻结状态下的三维级配碎石试样模型。通过断层扫描图像的灰度识别技术,辨识出级配碎石中不同组分的灰度范围,进而获取级配碎石颗粒、冰晶和孔隙的分布特征。不同饱水度和细颗粒含量级配碎石冻结状态的X-CT扫描分析结果表明:冰晶主要聚集在试样的孔隙和粗、细颗粒交界处;冰晶含量随饱水度增加而增加,孔隙率随细颗粒含量的增加而减少;级配碎石冻胀有别于传统细粒土冻胀,主要在细颗粒聚集区发生水分微迁移,推动粗颗粒旋转、错动,使其偏离原来的位置,引发冻胀。     

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。     

不同细粒含量下高铁路基粗颗粒填料水气迁移特征与冻胀特性

采用自行研发的水气迁移试验装置开展单向冻结试验,研究在气态水迁移和水气混合迁移2种水分迁移模式下,不同细粒含量粗颗粒填料的温度场与冻结深度、外界补水量、水分重分布、液态水迁移高度及冻胀变形的变化规律,分析细粒含量对高铁路基粗颗粒填料水气迁移特征及冻胀特性的影响。结果表明:细粒含量和水分迁移模式对粗颗粒填料冻结过程和深度的影响不显著;温度梯度是外界水分向粗颗粒填料试样内部补给的主要内在驱动;增加细粒含量,有利于液态水迁移,一定程度上阻碍气态水迁移;水气混合迁移模式下,细粒含量越高,外界补水量越大,而气态水迁移模式下,细粒含量越高,外界补水量越小;相同水分迁移模式下,细粒含量越高,粗颗粒填料试样冻胀变形越大。     

哈齐客专基床粗粒土填料击实特性研究

以哈齐客专基床粗颗粒填料为研究对象,采用表面振动击实仪研究了不同细颗粒含量条件下该填料的击实特性,探索了细颗粒含量对该粗粒土填料最大干密度及最优含水率的影响规律。结果表明,该填料的击实特征曲线中,细颗粒含量小于9%时表现为明显的双峰值规律;细颗粒含量大于9%时表现为单峰值规律。随细颗粒含量的增大,最大干密度呈现先增大后减小的规律,细颗粒含量为9%时取得最大值2.42 g/cm~3;最优含水率随细粒土含量的增加而增大,但增长速率逐渐变小。     

包兰线路基土冻胀特性试验分析

通过不同含水量、不同密实度的封闭系统冻胀试验和开放系统冻胀试验,研究了包兰线路基土冻胀特性。试验结果表明,在封闭系统下冻胀量随含水量的增大而增长,随密实度增加而减少,且当冷端温度降低至-5℃时冻胀量增长显著;开放系统冻胀量远大于封闭系统冻胀量,且与初始含水量有关。