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。     

兰新客运专线浩门区间路基温度、水分及冻胀变形特征

粗细颗粒混合填料的微冻胀严重影响着寒冷地区高速铁路的安全运营.基于对兰新客运专线浩门区间运营期4个路基断面不同深度的温度、水分及冻胀变形现场监测,分析了冻结期该铁路路基在不同深度下的温度、水分及冻胀随季节变化特征.结果表明：越接近地表,对外界环境温度变化的敏感性越高,温度传递随时间的滞后性呈指数递减规律,深度超过3 m时全年无负温.寒季2.7 m厚的路基最大冻胀量约2.1 cm,其中,0～0.5 m处寒季最低温度介于-10.3～-15.6℃,暖季及冻结初期含水量相对较高有15%左右,其冻胀率约4.86 mm·m^-1,故级配碎石在低温含水量高情况下能有效减弱冻胀.冻胀率最大值（14.34 mm·m^-1）发生在0.5～1.5 m之间的普通AB组填料层,寒季最低温度介于-7.2～-12.4℃,暖季及冻结初期含水量介于10%～15%.1.5～2.7 m之间的填料层冻胀率约为1.94 mm·m^-1,寒季最低气温-3.2～0.4℃,暖季及冻结初期含水量介于12.5%～15%.路基填料细颗粒（粒径小于0.25 mm）含量越高,冻胀率越大,建议将细颗粒料控制在15%以内.     

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.     

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.     

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.     

兰新铁路路基冻胀特征及冻害整治措施研究

兰新铁路尖山至大青口段线路在海拔2 100m左右,冬季气候寒冷,路基填料属易冻胀土,在路基土冻前含水量较大的前提下,线路在冬季必然发生冻胀变形.为了有效控制路基冻胀量,通过现场和室内试验对该段路基土的土质、冻结特征、冻胀特征等进行试验研究.结果表明:路基面以下60cm范围内土层冻胀量占整个冻结层总冻胀量82%;在最适宜冻结速率下瞬时冻胀量达到极大值,分层冻胀率与平均冻胀率的大小关系在2/3冻结深度处发生改变;冻胀速率的大小并不能直接反映瞬时冻胀量的大小,还应考虑冻结速率.选用了软式透水管整治冻害,整治效果明显.     

结构型式对寒区高铁路基冻结特征影响试验研究

哈尔滨至大连客运专线是我国在中-深季节冻土地区设计、建造和运营的第一条高速铁路,其独特的工程地质条件以及在低温环境下线路的苛刻要求引发的工程需求对寒区路基的稳定性问题提出了新的严峻挑战。通过在不同冻深区选择典型性路基断面,以用来监测路基的稳定性和冻结特征。并通过对运营后第1个冻融期内的监测数据分析发现,路基的结构型式对寒区高铁路基的冻结特征有着显著的差别性影响和制约作用。结果表明：对比路堑段的中部及其临近路堑进出口处的路堤段,路堤段存续有较长时间和较厚的冻结夹层,其堑-堤地温差值也随着纬度的增加而增加。同时发现在4月份的路基中存在有一定厚度的高温冻结夹层。而同一区域内,路堑的最大冻结深度要较路堤的冻结深度浅20～50 cm,但相反的是,路堑的最大变形却较路堤的要大2～5 mm,这种差值越向北越明显。同时在春融期内,路堑段的冻深变化速率在0上下剧烈波动,此时变形产生了突变式上升,而路堤段的冻深变化速率却在负值区内变化,变形并未发生明显的突变。     

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。     

硫酸盐渍土路基盐冻胀变形量计算方法探讨

通过对新疆兵团垦区硫酸盐渍土路基的野外试槽试验测得的地温、盐冻胀变形量等试验数据进行整理,并运用SPSS软件进行多元线性回归分析,探讨了硫酸盐渍土路基的盐冻胀变形规律、盐冻胀变形量的影响因素及其计算方法,研究结果表明：①在一个冻融循环周期内,路基中各测点的地温-变形量曲线可以分成3个阶段,不同阶段的盐冻胀变化规律不同;②在降温、升温过程中,硫酸盐渍土路基盐冻胀变形量的影响因素不同,相应的计算公式也不同;③在一个冻融循环周期内,路基中各测点的盐冻胀变形量的最大值均出现在升温初期,因此,建议采用升温过程中盐冻胀变形量的计算公式计算路基的最大盐冻胀变形量。     

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。     

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。     

粉质粘土的冻胀特性研究

利用冻胀试验装置,对京包、包兰线上冻害频发地段的粉质粘土进行了开敞系统中的一维冻胀试验,分析了不同环境冻结温度下土样冻结和冻胀的全过程。试验结果表明:(1)粉质粘土属冻胀敏感性土,土质加上外界水分的补给是该地区出现冻害的主要原因;(2)环境冻结温度直接影响土样的冻结过程进而对冻胀量产生影响,土样的冻结深度随环境冻结温度的降低而增加,开敞系统中土样的冻胀量随环境冻结温度的降低而减小;(3)土样的冻胀率和冻结速率之间成反比关系,冻结速率非常小的情况下,冻结深度几乎不再增加,但土冻胀率较大。     

低温岩体裂隙冻胀力与冻胀扩展试验初探

低温裂隙岩体冻融损伤与断裂破坏一直是寒区岩体工程建设中的关键科学问题。低温下含水裂隙的冻胀扩展演化过程受冻胀力量值的控制,然而裂隙中冻胀力的大小及其演化机制一直存在争议,尚缺乏有效的试验测试方法。通过在类岩石材料中预制不同长度和宽度的宏观裂隙,进行了低温下饱和裂隙的冻胀力测试试验;利用薄膜压力传感器和温度传感器分别对饱和裂隙在低温冻结过程中的冻胀力和冻结温度进行了实时连续的监测,获取了其时空演化曲线。试验结果表明：（1）在冻结过程中,岩体裂隙中冻胀力的萌生是一个突发的过程,其演化过程可分为孕育阶段、爆发阶段、跌落阶段以及平衡阶段;（2）冻结完成后,裂隙冰发生了明显的挤出且裂隙尖端产生了可见的冻胀裂纹;（3）融化过程中,冻胀力跌落较快,但存在滞后现象;（4）对于宽度在2～5 mm范围内的半开口裂隙,从裂隙开口端冻结时,最大冻胀力与裂隙宽度线性正相关;在宽度为5 mm的饱和裂隙中最大冻胀力达到了7.2 MPa。研究成果可为认识裂隙中冻胀力的萌生演化机制以及进行裂隙冻胀扩展计算与分析提供借鉴。     

高速铁路高架线路列车运营对既有线路基的影响研究

为分析高速铁路高架线列车运行对既有线路基影响,建立桥墩-大地-既有线路基有限元模型,结合测试验证模型可靠性,分析不同行车条件对既有线路基应力状态的影响关系,讨论高速铁路轨道平顺性恶化和土体模量降低对既有线路基的影响,预测既有线路基表层累计变形。研究得到,既有线自身列车运行对路基应力状态的影响占主要地位,高速铁路运营对既有线路基应力状态的贡献度很小,不会对既有线路基使用寿命造成明显影响,高速铁路桥墩与既有线距离按限界控制即可满足要求;在轨道平顺性恶化和土体模量降低条件下,高速列车运营引起的既有线路基应力增加不超过0.5 kPa。     

武广高速铁路路基振动现场测试与分析

为研究武广高速铁路无砟轨道路基的振动特性,对武昌－咸宁综合试验段路基进行了现场实车测试。获得了各测点在不同列车荷载作用下的竖向振动加速度和动应力幅值,总结了试验段路基动力响应的分布规律,获得了试验段路基的固有频率,并结合小波分析方法对路基的振动特性进行了频域分析。结果表明,车速的提升加剧了基床表层顶面路基的振动,在260～320 km/h车速段尤为明显。经过2.7 m高路堤的衰减,路基的动力响应幅值和振动能量已基本不受车速影响。级配碎石层能有效抑制振动沿路基深度的传递。随着车速的提升,转向架固定轴距作用率、轨道不平顺成为引起路基振动的主要原因。轴重对动力响应幅值和振动能量的影响较车速更为显著,轴重的增加使得振动能量在频域内更为集中。