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.     

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.     

季节冻土区高速铁路路基保温措施效果研究

为减小季节性冻土区路基冻胀对高速铁路无砟轨道平顺度的影响,采用路基保温措施进行室内模型试验,对不同厚度保温板覆盖下路基AB组填料在多个冻融循环过程中的温度及变形规律进行了试验与分析.室内模型试验结果显示,XPS保温板具有良好的保温隔热作用,厚度越大,保温效果越好,保温措施有效控制了哈齐线路基AB组填料的冻胀变形,同时也降低了其残余变形.根据室内试验结果,采用20cm厚保温板的保温措施在哈齐线路基试验段进行现场试验.试验结果表明,该保温措施有效控制了左右线轨道板下方区域的冻胀变形,保证了轨面平顺度.     

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。     

青藏铁路冻土路基变形监测与分析

基于现场监测资料,对作为青藏铁路中的主要保护冻土的几种路基形式（如：通风管路基、块石路基、块石护坡路基、保温材料路基和普通素土路基）进行了变形和温度分析,发现所有路基的变形均以沉降变形为主,且其变形与其下伏冻土的地温场变化密切相关。经过2～3个冻融周期后,通风管路基、块石路基、块石护坡路基和保温材料路基的变形已趋于稳定,而无任何措施的普通路基目前变形仍未稳定。另外,各种路基左右路肩均存在变形差。基于以上分析可得到一个启示：在高温、高含冰量冻土地区,由于路基下多年冻土温度升高产生的高温冻土压缩变形而引起的路基沉降变形具有相当大的量级,很有可能成为冻土路基发生破坏的一个重要原因,工程实践中应给予足够的重视。     

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。     

季节冻土区高铁路基冻胀研究进展及展望

随着我国高速铁路建设的快速发展,穿越广阔季节冻土区的高速铁路越来越多,工程面临的冻胀问题已成为研究和工程人员关注的焦点,并取得了许多研究成果。基于前人研究,总结了我国季节冻土区高速铁路路基冻胀特点和分布规律,探讨了高铁路基粗颗粒填料的冻胀特性及其影响因素,分析了路基在冻融过程中水热变化情况,讨论了现有高铁路基防冻害措施以及其适用性。在此基础上,提出季节冻土区高铁路基冻胀研究面临的主要问题及展望,为季节冻土区高铁路基冻胀及其防治工作研究提供新思路。     

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.     

高速铁路路基动态变形模量分析

通过兰新铁路第二双线路基试验段戈壁填料现场填筑试验,分析了动态变形模量Evd与路基填料以及与填土压实质量的关系。研究表明,Evd与静态变形模量Ev2的相关性很好,Evd与地基系数K30的相关性较差。通过ADINA三维动态有限元数值分析并结合现场检测结果,对Evd值的影响因素进行了分析。结果表明,Evd理论上与动模量Ed完全线性相关,Evd与Ed的相关性表达式与动摩擦角及动黏聚力有关;当填土动黏聚力较小时,Evd值随动黏聚力及动摩擦角的增大而增大,当动黏聚力增大到一定值以后,Evd值不再随动黏聚力及动摩擦角的增大而变化;Evd值与土体在冲击荷载作用下的抗剪强度有关,在既定的Ed下,当抗剪强度较小时,Evd值随抗剪强度的增大而增大;当抗剪强度达到一定值后,Evd值不再随抗剪强度的增大而变化。     

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.     

季节冻土区黄土路基水分与温度变化规律研究

为研究季节冻土区压实黄土路基变形的影响因素,通过现场监测得到路基水分场与温度场的变化规律,并结合室内试验与数值模拟分析路基变形规律. 结果表明,天然地面以上路堤土体具有明显的季节性,水分场及温度场变化剧烈,而天然地面以下土体温度场及水分场变化较平缓,季节性不强. 路堤最大冻深约1 m,经历强烈的冻融循环和干湿交替过程,含水率变化量为5%~29%. 冻融循环作用在路肩处产生的变形较大,而干湿循环作用在路基中心处产生的变形较大,且后者引起的变形大于前者.     

GM（1,1）模型在铁路路基冻胀监测中的应用

通过对季节性冻土区铁路路基冻胀量与地层温度的监测,可以了解监测段的冻胀变化过程,但无法对未来的发展趋势作出有效预测。本文采用GM（1,1）模型对监测段落路基的冻胀变形及冻结深度的变化情况进行预测。结果表明,此预测方法可以在现有监测数据的基础上有效预测短期内路基冻胀的发展趋势。根据模型预测结果,可以提前采取有效整治措施,便于决策者对轨道检验周期、维修周期、限速周期等作出合理调整。     

季节性冻土区高速铁路换填路基冻结特征的有限元分析

运用土壤冻结融化条件下热传导的基本方程和数值理论方法,结合哈大客运专线具体工程,通过模拟分析在不同的路基高度、几何断面选型、填料选择和施工、竣工季节条件下,对比分析了换填路基结构不同部位的季节性最大冻结深度在今后50a内随着时间在全球升温的背景趋势下的变化规律。通过分析并讨论换填路基的热状况特征及其分布变化规律,在数值模拟结果的基础上,结合季节性冻土区高速铁路无碴轨道路基结构的特点,总结并提出了较为合理的换填路基高度、几何结构形式选型、路基填料的选择分类以及路基施工和竣工季节,并通过以上结果分析评价了换填后路基的整体热稳定性。     

哈大高铁路基面冻胀变形特征及工程意义

路基面冻胀量是影响寒区高铁路基在冬季安全运营的关键性指标之一,也是协调轨面变形和判断扣件系统安全储备量的直观因素之一。根据哈大高铁沈阳至哈尔滨段开通运营后的前两个冻融期路肩冻胀量数据及其评估结果,认为现有的冻胀观测结果评估和预测方法对路基面整体冻胀量估计不足,在长期变形预测中并未考虑到一旦地基和基床固结完成时产生的冻胀量对路基和轨面变形的影响。结合哈大线实测路基面冻胀量数据,探讨了观测结果的合理性及应用的方法。分析表明：现在所测得的路肩处路基面的冻胀量只是名义冻胀量,较实际冻胀量要小,简单应用此数据从长远来看偏于危险;考虑到路基面上不同构件在环境条件下的组合效应,单独使用路肩处冻胀量来评估整体路基变形特征存在不足。因此在预测和评估长期路基面冻胀变形时,需结合观测数据和实际工况进行全面合理的分析,以提高路基工后变形和季节性变形预测的可靠度。     

冻土区块石夹层路基防冻胀翻浆效果试验研究

基于对冻土区路基冻胀翻浆病害机制的分析,提出了一种综合利用透水土工布、块碎石层和防水土工布的新型防道路冻胀翻浆的路基结构,并通过室内模型试验研究其防冻胀翻浆效果。结果表明：与普通路基相比,不论环境温度最高还是最低时,新型综合防冻胀翻浆路基不但能有效地降低路基内的温度,具有良好的降温效果;而且能大幅度地减小路基内的含水率,并且含水率减小率随着气温周期循环的增加呈线性增大的趋势,这对防止冻胀翻浆病害的发生是有利的;此外,新型综合防冻胀翻浆路基结构有成本低、易于施工等特点,极具工程应用前景。     

BP神经网络在冻土路基变形预测中的应用

在青藏铁路冻土路基现场实测资料的基础上,用改进的BP神经网络建立起了路基变形与地温、路基高度和上限之间的非线性映射.对某一典型路基第30年的变形进行了预测,结果显示路基的累计融沉量在冻胀量的两倍以上.从绘制的路基变形过程曲线可以很清晰地看出路基一年中的变形趋势和冻胀融沉区间.在4月份以后,路基的变形由冻胀向融沉转变,变形与地温有很好的正比关系,但是当地温升高到一定值时,路基的融沉量便不再随着地温的升高而增大.路基的冻胀与地温的关系也有相似的规律,说明地温对路基变形的影响存在一个比较明显的区间,在这个区间范围内的温度对路基变形的影响较大,这为控制路基的病害提供了一个比较有价值的信息.     

深季节冻土区路基防冻胀道砟碎石排水盲沟热状况的数值分析

用透水土工布包裹道砟碎石填筑的截排水纵向盲沟, 是哈尔滨-大连高速铁路(简称哈大高铁)在大开挖路堑段采用的重要的防冻胀工程措施. 由于碎石层在顶部温度较低时, 其中发生对流换热过程而强化对其下部土体的降温作用, 可能导致盲沟底部冻结而影响其防冻胀效果. 通过数值仿真软件分析了排水盲沟的温度状况, 结果表明: 对于哈大高铁的气温环境, 在不考虑积雪影响的条件下, 将发生盲沟底部排水管冻结积冰, 影响纵向盲沟防冻胀效果的问题. 在盲沟顶土层中加设0.1 m保温板能够提高盲沟底部的最低温度, 推迟起始冻结时刻, 缩短冻结时长, 但不能完全避免盲沟底部排水管的冻结问题. 在有表层保温板的条件下, 在盲沟底部换填砂层虽然不能提高盲沟碎石层的温度, 但却能有效提高盲沟底部的温度. 复合措施可以有效解决盲沟底部冻结的问题.     

高速铁路路基戈壁填料地基系数与变形模量分析

以兰新铁路第二双线路基试验段戈壁填料现场填筑试验为依据,分析了路基压实指标K30与Ev2的区别与联系;总结了4个试验工点K30与Ev2及Ev1变形曲线特性,并对地基系数K30与变形模量Ev的相关性进行了分析。结合室内土工试验,对影响K30与Ev2的因素进行总结。结果表明：填土的密实程度是影响K30与Ev1及Ev2/Ev1的主要因素;填料的性质是影响Ev2的主要因素,对 Ev2/Ev1也有较大影响;Ev2为填料的特征参数,反映了路基的刚度;K30为填土压实质量控制指标,K30与Ev1的相关性较好,与Ev2的相关性相对较差,K30与Ev1及与Ev2的相关性的好坏还与填料的性质有关,检测指标越离散,相关性越差     

青藏铁路多年冻土区工程长期监测系统

青藏铁路穿越了大片连续多年冻土地区, 建设中采取了冷却路基的设计思路, 采用了大量特殊的工程技术措施. 为了解工程和气候作用下冻土变化过程以及路基稳定性与冻土变化关系, 在青藏铁路沿线布设了44个路基监测断面进行地温监测和路基表面的变形监测, 同时开发了青藏铁路长期监测系统软件, 负责数据的存储、分析工作, 其中地温监测数据通过青藏铁路专用网络GSM-R实现了远程传输. 该系统的建立为进一步开展冻土相关研究工作提供了基础数据, 也为路基稳定性预警提供了科学依据.