季节冻土区高速铁路路基冻胀监测系统及冻胀规律研究

季节冻土区修建高速铁路的主要问题是路基冻胀. 依托我国东北、华北多个高速铁路路基冻胀监测工作实践,研究了一套冻胀监测系统的构建方法并成功应用于哈齐客专、大西客专、牡绥线等路基冻胀监测工作中. 综合监测成果,对高速铁路路基冻胀规律进行了分析,对冻胀原因进行了总结. 结果表明：冻胀监测系统应充分考虑严寒、低温、高速条件下,利用先进传感器及物联网技术来实现各子系统集成;季节冻土区铁路路基冻胀存在一定规律可循,季节冻土区铁路路基冻胀不可避免但是可控. 填料质量是防冻胀控制的根本,施工质量过程管控是基础保障.     

高速铁路路基填料冻胀试验研究

路基冻胀是季节冻土区修建高速铁路必须面对的关键性技术难题. 国内外针对路基填料的冻胀机理和特性进行了很多研究, 但很少涉及路基填料的渗透性问题. 通过室内试验研究了细颗粒含量对路基填料含水量和冻胀率的影响, 通过现场试验研究了路基填料的渗透性能, 选取哈齐客专某试验段路基进行冻胀监测, 验证了防冻层填料的导水特征及其防冻胀性能. 结果表明: 采用填料防冻的技术路线是可行的, 通过合理控制填料组分、级配、细颗粒含量等设计参数, 严格把控施工质量, 路基填料能够满足高速铁路路基防冻胀要求.     

寒区高速铁路路基变形智能监测系统设计与实现

新建哈尔滨至大连客运专线是我国在中-深季节冻土区第一条建设运营的高速铁路,其社会、经济意义十分突出. 为了解该铁路路基变形及其与环境变量之间的关系,在哈大高铁沈哈段沿线布设了15个路基监测断面以进行地温监测和路基不同分层的变形监测,同时开发升级了哈大高铁长期监测系统软件YH-FSMS,用于控制数据的采集、存储、传输和分析工作,并通过通讯网络实现了远程传输和控制. 通过对开通运营后第一个冻结-融解期的监测数据分析,哈大高铁长期监测系统运行基本正常,获得的监测数据真实可靠,能够为季节性冻土区高速铁路路基变形状况评价提供支撑. 利用长期监测系统对典型路基地段进行了连续监测,分析了路基冻融变形机理及其环境影响特征,并据此提出保障路基热平衡状态、改善路基系统水热条件、减弱路基变形影响要素的工程补强措施. 该系统的建立为路基冻胀变形实时监控和预警提供了科学依据,也为开展冻土区相关工程研究提供了技术示例.     

季节冻土区基床改性填料与保温护坡对路基温度场的影响分析

高速铁路对轨道平顺性具有非常高的要求,在季节冻土区建设的铁路面临着路基冻胀问题,由路基冻胀引起的轨道变形严重影响了高速铁路运行的安全性与舒适性.通过对比其他学者关于路基冻胀的处理与防治方法,提出了采用水泥稳定级配碎石代替普通级配碎石作为基床表层填料,同时在路基边坡铺设保温护坡的方法来防治路基冻胀.根据哈大客运专线季节冻土区的地质及气候条件,采用有限元数值仿真方法分析路基基床表层采用水泥稳定级配碎石和在路基边坡加设保温护坡后对路基温度场的影响.并将分析结果与哈大客运专线的现场实测结果进行了对比,验证了有限元数值仿真结果的可靠性,分析结果表明：在基床表层换填水泥稳定级配碎石,同时在路基边坡铺设3.0 m高、2.5 m宽的保温护坡后可以有效缓解路基的冻胀,与无任何保温措施的普通路基相比,路基中心处的最大冻结深度减小了0.5 m,路肩处的最大冻结深度减小了1.1 m.     

严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析

穿越我国东北地区的哈尔滨至大连高速铁路（哈大高铁）是世界上首条投入运营的新建严寒地区高速铁路,路基冻胀防治采用了换填材料、防水等综合措施. 为评价冻胀防治效果及路基工程运营状况,通过对哈大高铁开通后首个冻融期（2012-2013年度）路基全线9 641个凸台观测点水准人工监测数据综合分析,研究路基冻胀变形发生、发展和变化规律. 结果表明：哈大高铁路基冻胀变形包括冻胀快速发展期、冻胀稳定发展期和融化回落期3个阶段,路基普遍发生冻胀但变形处于可控状态;路基的冻胀变形以基床表层冻胀为主,且其程度与路基结构有关;整体上全线过渡段冻胀轻微,路堤次之,路堑和底座板接缝处较为严重. 建议后续冻胀整治应以减少路基表水下渗、控制基床表层冻胀变形为重点;类似工程设计中,应增加以桥代路段落,将路基表层改性为不冻胀整体结构.     

我国季节冻土区路堑段路基水热特性及冻胀发展过程监测研究

路基冻胀问题严重影响季节冻土区高速铁路的运营安全。基于哈大客运专线长春市郊区试验路段某一路堑段路基,采用级配碎石+防水土工膜+A、B组填料+防水土工膜的新型路基结构,对不同位置及深度的温度、水分及冻胀变形进行监测,分析了季节冻土区不同深度下的水热特性及冻胀随温度变化的特征。结果表明：复合土工膜对路基冻结期水分迁移起到隔断作用,对于路堑式路基而言,由于边坡汇水作用,坡脚冻深大于路基中心。路基基床上层及中层变形主要受含水量影响较大,而下层由于温度基本为正温变形主要受路基填料质量控制。     

哈尔滨-齐齐哈尔客运专线路基防冻工程模型试验研究

季节冻土地区修筑铁路客运专线面临着严重的路基冻胀问题,为研究保温板（XPS）在季节冻土地区路基工程中的防冻胀效果,开展了室内模型试验研究. 试验结果表明：经过2个周期的试验,保温板上下温差十分明显,保温板上下温差在负温期高于正温期,保温板下土体冻结速率随保温板厚度的增加而减小. 30 cm保温板下黄土的含水率随冻融过程呈单一变化规律,其他3个试验模型土体含水率在冻结开始时先减小,冻结结束时增大,最终保持稳定的趋势. 4个试验模型中的下层土体冻胀量均远大于上层土体,无保温板黄土试验模型冻胀量远大于其他3个保温板试验模型;AB料冻胀量随保温板厚度的增加而减小,AB料冻胀率远小于黄土冻胀率. 因此,在季节冻土地区路基设计中宜采用保温板路基,路基填料优先采用AB料.     

季节冻土区高速铁路防冻胀路基保温强化特性研究

季节冻土区路基的冻胀变形影响高速列车的运行速度、行车安全。以普通级配碎石路基结构为原型,建立轨下基础热-力耦合模型和路基结构外力作用模型,通过温度场和变形场的现场监测数据、力学特性计算的文献资料验证了模型的可靠性。在此基础上建立水泥稳定碎石路基、保温强化层+级配碎石路基、保温强化层+水泥稳定碎石路基3种防冻胀路基模型,计算冻胀变形和受力特性。结果表明：保温强化层和水泥稳定碎石填料均有效减小了路基的冻胀变形,其中保温强化层+水泥稳定碎石路基的冻结深度和最大冻胀量最小,分别为0.8 m、1.585 mm;保温强化层可减小基床表层竖向应力,且弹性模量较大的水泥稳定碎石可加速竖向应力的衰减,使得基床底层承受应力减小。保温强化层+水泥稳定碎石基床表层结构可为季节冻土区高速铁路路基结构的选型提供参考。     

交通荷载作用下冻土路基动力响应分析

季节冻土区路基在交通荷载作用下的冻胀翻浆病害是一个复杂的热、力相互作用过程,又是一个急需解决的实际工程难题.运用传热学及Biot固结理论建立季节冻土区公路路基的动力分析模型,以季节冻土区典型冻胀翻浆路基为例,分析其工程处理前、后的动力反应特性.结果表明:1)路基温度场的研究表明修筑路基后,在路基及其下部地基中将会产生大片的力学性质极不稳定的高温冻土层;2)路基运营期当交通荷载刚驶入或离开路基计算断面时,路基内的加速度、速度、位移、应力、孔隙水压力均振荡剧烈.但与普通路基相比,防冻胀翻浆路基的碎石层大大削弱了汽车动荷载的冲击振动作用;3)防冻胀翻浆路基中间存在透水层(碎石),减小了路基内的孔隙水压力,与普通路基相比,防冻胀翻浆路基的最大孔隙水压力比减小达30%左右,这对延缓、消除路基病害产生有很大作用.计算理论以及分析结果可为季节冻土区道路的安全运营以及维修提供参考依据.     

高海拔季节冻土区高速铁路路基水-热-冻胀变形特征研究 ——以兰新客专民乐段为例

兰新第二双线是世界上第一条修建在高海拔季节冻土区的高速铁路,路基填料采用通常认为是冻胀非敏感性材料的粗颗粒土（A、B组填料）。基于2015-2017年军马场-民乐区间（长约38 km）运营期现场监测发现,部分路段仍有较大冻胀量发生,对列车高速运营存在安全隐患。现场监测结果表明：该区间高铁路基平均冻结期为5个月,最大冻深介于3.0~3.8 m,约是天然冻深的2倍,路基2.7 m以上地层最大冻胀量可达27.5 mm。0~0.5 m级配碎石层含水量很低,控制在4%以内,暖季较高,寒季由于冻结而降低;0.5 m以下地层含水量相对较高,介于8%~15%之间,暖季较低,寒季较高,呈现“正弦”式分布,且随着路基深度增加而逐渐减小。路基冻胀发展过程大致可分为三个线性阶段,其中第二阶段（12月中下旬至次年1月中旬）为冻胀发展最快时期,历时约20天可达到稳定冻胀量。     

寒区级配碎石冻胀正交试验研究

级配碎石作为季节性冻土地区高铁路基基床表层填料,其防冻胀问题尤为关键。为研究在不同条件下级配碎石的冻胀特性,选取不同的含水率、细颗粒含量、冷端温度和压实度进行了室内封闭系统冻胀正交试验。结果表明,在不同因素、不同水平的组合时,级配碎石有不同程度的冻胀。当级配碎石含水率为5%时,试样的冻胀率较小;当含水率超过7%时,大部分试样冻胀率超过1%。对冻胀过程中试样温度场、冻结深度、冻胀变形过程和冻后试样含水率分布进行了分析,发现冻后试样冷端位置的含水率高于初始含水率,暖端位置的含水率低于初始含水率。当以冻胀率作为参考序列,其他试验条件作为比较序列时,灰色关联度分析结果表明,影响级配碎石冻胀率的主要是含水率,其次为细颗粒含量、压实度及冷端温度,其关联度相差不大。并得出了最有利于冻胀发展的组合。为满足寒区高速铁路变形量的要求,提出以控制级配碎石含水率小于5%为指标。     

A study of orthogonal design tests on frost-heaving characteristics of graded crushed rockEI北大核心CSCD

Seasonally frozen soil is distributed widely in the Northeast China. The prevention measures against the frost heave of graded crushed rock, which is used as the filler of surface layer in subgrade, are crucial to high-speed railway constructed in seasonally frozen soil region due to the strict requirements of subgrade deformation. In order to study the frost heave characteristics of graded crushed rock under different conditions, water content, fine content, cooling temperature and compaction are chosen as influential factors of frost heave characteristics. The closed system laboratory frost heave experiments have been performed based on the orthogonal design, showing that different frost heave amounts appear in different combinations of factors and levels. The frost heave ratio of most graded crushed rock samples is small when water content is 5%, and it exceeds 1% when water content is above 7%. The temperature field, frozen depth, frost heave deformation process and water content distribution in sample after freezing are analyzed. It is found that the water content is greater than the initial water content at the cold side, and is lower than initial water content at the warm side. Using the frost heave ratio as a reference sequence and other factors as comparison sequences, the correlation degrees among water content, fine content, compaction, temperature at cold side and frost heave ratio are analyzed with the gray correlation method. The results from this analysis indicate that water content produces the most significant effect on the frost heave ratio of graded crushed rock. The water content of graded crushed rock should be maintained below 5% in order to prevent frost heave development in the cold regions.     

季节冻土区扩底单桩受力性能研究进展与展望

在深季节冻土区, 正冻土和桩相互作用时可能会导致桩基的拔断或整体冻拔破坏。在桩周土冻胀过程中, 等截面直桩主要通过桩和未冻区融土间的摩阻力达到锚固效果。而对于端部直径大于桩身直径的扩底桩来说, 当桩基有整体上拔的趋势时, 扩大头会受到上覆土层的阻力而起到锚固/抗冻拔作用。通过回顾国内外研究文献, 介绍了扩底抗拔桩现有的工程背景及应用情况, 并对季节冻土区桩基的受力性能进行了总结和分析, 主要内容包括： 土体冻胀和桩基的相互作用研究, 切向冻胀力试验研究和理论研究, 切向冻胀力作用下扩底桩基冻胀反力试验研究及理论研究, 切向冻胀力作用下未冻区桩-融土间摩阻力的研究概况等。最后, 结合现有的研究内容, 对季节冻土区扩底桩的应用及研究提出进一步的展望。     

冻结缘和冻胀模型的研究现状与进展

为加深对冻胀机理的了解,首先研究与未冻水迁移密切相关的冻结缘是十分必要的。文章综述了冻结缘的微结构特征和冻结缘的特征参数（包括未冻水含量、导湿系数和冰、水相压力）。然后概述了各类冻预报模型的发展方向,并提出冻结缘和冻胀模型研究领域的工作重点是：继续加强冻胀机理的研究,深入测定冻结缘的特征参数和建立健全冻胀预报模型的综合评价。     

甘肃省公路沿线典型地段含盐量对冻胀盐胀特性影响的试验研究

季节冻土区含盐土公路路基在季节性冻胀、盐胀和融沉作用下,发生大量的道路病害,给道路的安全运营带来了严重的隐患。在考察大量现场道路病害的基础上,针对甘肃省季节冻土区公路沿线盐渍化道路病害比较严重的地段,选取几种典型的盐渍土进行室内冻融循环试验来研究它们在周期波动温度条件下冻胀、盐胀和融沉特性,进一步探讨盐渍土地区道路病害产生的机制。试验结果发现,含盐量对路基土冻胀、融沉和盐胀等变形过程有明显的影响,不同的含盐量路基土膨胀机制不同。含盐量较高的土体,变形主要由盐胀引起,没有明显的融沉变形;含盐量较低的路基土,变形主要由冻胀和融沉引起,可能存在盐胀;对于无盐但冻胀敏感性路基土,其变形主要由冻胀和融沉引起。另外,开放系统下盐渍土反复冻融循环后含水率重新分布,含水率普遍增加,且形成了两端含水率高、中间低的现象。     

冻融循环作用下土工袋冻胀量和融沉量试验

为研究季节性冻土地区冻融循环作用下土工袋防冻融、冻胀效果,对不同冻融循环作用下土工袋和土进行了室内模型试验,在开放系统和封闭系统中分别研究了土工袋和土冻胀量、融沉量之间关系,试验结果表明,经历4次冻融循环作用后,封闭系统中土工袋冻胀量、融沉量分别小于土的冻胀量、融沉量;开放系统中土的冻胀量为土工袋冻胀量的1.9倍,土的融沉量为土工袋融沉量的2.2倍,开放系统中地下水对土工袋的补给量远小于土的补给量,试验验证了土工袋可以有效防止渠道及建筑物基础冻融、冻胀破坏,可为渠道防冻胀提供理论基础。     

中国冻胀研究进展

中国的冻胀研究从５０年代末期开始，经科研单位、勘察设计院和大专院校冻土工作者近４０年的努力，通过现场观察、原位测试、室内试验和计算机模拟等多种手段，开展了冻胀量、冻胀力、冻胀机理、冻胀预报和各类工程防冻胀措施研究，取得了丰硕成果。提出了冻土工程分类、冻胀量和冻胀力的设计值和估算方法，以及各类工程防冻胀破坏的行之有效的方法。目前，研究工作正朝着从表象到机理、从宏观到微观的方向深化。进一步研究多孔介质中热质迁移的物理过程，特别是水分迁移的驱动力与温度或温度梯度间的相互关系，提出能反映过程物理本质且简便的冻胀预报模式及研制出对冻胀不敏感的新材料应成为今后工作的重点。