俄罗斯莫斯科-喀山高铁路基地温场规律分析

针对莫斯科-喀山高铁路基典型断面,基于非稳态相变温度场数学模型,考虑气候变暖的影响,结合沿线的气候条件,对路基地温进行数值模拟计算,分析路基10 a内地温分布及变化规律。分析结果表明:路基高度越高,施工期蓄热耗散过程越长。路基深度越深,地温周期性变化幅值越小。路基横向地温存在差异,路肩位置最大冻深普遍大于线路中心处,其差值最大可达1.1 m。路基最大冻深基本在2.0~3.5 m深度范围内。路基融化过程为双向融化,开始双向融化时刻约在4月初,融化期路基顶部、路肩及坡脚位置附近存在冻土核现象,由此提出设计和施工运营过程中,需密切关注路基冻深范围内冻土的土体性质变化以及横向地温差异可能导致的横向变形。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

严寒地区高速铁路路基稳定性长期监测研究

研究目的:为保证严寒地区高速铁路的安全运营,通过分析严寒地区高速铁路路基的特点确定监测指标,并结合哈大高铁路基开展相应的监测技术研究,建立路基稳定性长期监测系统,实现路基状态多参量一体化的自动采集、信号自动传输、数据自动分析处理。基于获取的三年监测数据,进行路基稳定性指标的初步分析。研究结论:(1)路基地温呈周期性波动,地温振幅随深度增加而减少。浅层存在季节冻结层,冷季时自地表向下单向冻结,暖季来临时双向融化;(2)不同深度处的水分出现了迁移和重分布;(3)在列车动荷载和冻融循环作用下,填土性质可能发生了变化,导致了冻胀和融沉压缩变形;(4)监测系统运行稳定,监测数据可充分反映路基的地温等指标的分布规律,从而为哈大高铁路基的病害整治和行车安全提供重要支撑。     

高速铁路路基温度场及保温措施数值模拟研究

以张呼铁路低填浅挖路基为背景,结合现场地温监测数据及地质资料,运用ABAQUS有限元软件,模拟不同工况下XPS保温板的路基温度场分布规律。结果表明:路基温度场呈不对称层状分布,路基两侧温度等值线略低于路基中心;保温板厚度变化对路基中心下部土体冻深影响程度最大,从路基中心到两侧逐渐减弱;随着路基两侧保温板铺设长度的增加,路基两侧下部土体冻深逐渐减小,但对路基中心附近土体的冻深影响甚微。确定了低填浅挖路基保温板最优铺设厚度为10 cm,最佳铺设长度为21. 4 m。     

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.     

多年冻土区路基填筑短期内冻土温度场数值分析

采用有限元软件COMSOL建立冻土水热耦合计算模型,进行路基填筑短期内冻土温度场的变化规律研究,并提出路基覆盖范围冻结锋面下凹扭曲的计算方法。结果表明:路基填筑热效应使得路基中心下方冻结锋面发生下凹扭曲,在水分汇入充足情况下会引发水热侵蚀,产生路基热融沉降、路基开裂等病害;7月填筑会最大程度阻碍土体热量向大气中输出,路基覆盖范围冻结锋面下凹扭曲程度达到最大、冻土温度场恢复最慢,属于最不利工况;路基覆盖范围冻结锋面下凹扭曲程度随填料与地表温差、路基高度、路基宽度、填料体积热容的增大而增大,随填料导热系数的增大而减小,实际工程中应尽量选用体积热容小、初始温度低且导热系数大的填料;采用冻结锋面下凹扭曲计算方法可计算得到填筑完成后不同时刻不同工况下的冻结锋面下凹扭曲曲线。     

高速铁路路基冻胀综合监测体系研究

阐述了人工水准观测、自动监测(冻胀、冻深、水分)、轨道动态检测、轨道状态检查等方式应用于高速铁路路基冻胀监测的功能定位、仪器设备要求、测试要点及数据处理要求。针对高速铁路路基冻胀综合监测体系总体要求,探讨了高速铁路建设与运营各阶段不同监测方式的相互关系。高速铁路路基冻胀综合监测体系的建立为高速铁路建设期间的动态设计及安全运营提供了技术保障。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

青藏铁路工程走廊多年冻土对全球气候变化的响应

针对受全球气候转暖影响青藏铁路沿线年平均气温逐年上升的环境变化,基于青藏铁路沿线不同区域内多年来的气象及地温监测资料,进行青藏铁路工程走廊气候要素演化及多年冻土对全球气候变化响应的研究。结果表明:青藏铁路工程走廊内气温基本以年均0.03℃的速度升高;年降水量大部分在250~450mm之间,且呈波动增大变化趋势;冻结指数和融化指数逐年增大,暖冬现象明显;地面温度升温速率达0.06℃·年-1,是气温升温速率的1.34倍;沿线多年冻土区2007年至2013年间天然上限抬升的仅占9%,而天然上限下降的占91%;地基多年冻土不同深度处地温均在升高,距离上限较近的地温升温速率普遍最大,多年冻土退化主要为自上而下;唐古拉山以北多年冻土退化较唐古拉山以南明显。     

青藏铁路路基下多年冻土演化特征及规律研究

通过对青藏铁路多年冻土区长期监测系统多年来的大量实测数据进行分析,研究了青藏铁路路基下多年冻土演化特征及规律。研究结果表明:青藏铁路沿线气温逐年升高,降水量、冻结指数和融化指数逐年增大,暖冬现象明显,地表温度年升高率达到0.06℃/年;沿线多年冻土区2007—2013年间冻土天然上限下移的达91%,不同深度处的地温整体处于升温状态;青藏铁路路基下多年冻土也发生了升温退化,在2007年冻土人工上限相对原天然上限均抬升的占81%,路基下多年冻土退化明显滞后于天然场地;片石路基、热棒路基等主动降温措施效果明显,保证了青藏铁路多年冻土路基工程的稳定。     

深季节冻土区哈齐客专路基现场试验

鉴于哈尔滨—齐齐哈尔(哈齐)客专路基工后沉降不大于15 mm的要求,开展了路基现场试验。对路基中的温度、沉降变形、路基冻胀变形及路基本体的含水量变化情况进行监测。结果表明:线路所处地区,11月中旬开始冻结,来年1月下旬地表附近地温过程线开始上抬;冻结层直到4月中旬才全部处于正温,最大冻深约为2.4 m。经过现场监测,处于深季节冻土区的高铁路基在经历冻融循环后的沉降变形为20 mm左右。路基表面的最大冻胀量发生在地表温度处于-1~-2℃之间,在此地温值下,路基冻结层范围内易发生水分积聚现象,路堤冻胀较敏感,所以路基填料应严格保持为最优含水量,做好基床表层的防排水措施,避免路基病害的发生。