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.     

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.     

河西走廊地区路基阴阳坡效应及合理高度分析

河西走廊是丝绸之路的咽喉,区域内季节冻土路基的稳定性对亚欧大陆运输通道有重要影响。以张掖地区季节冻土路基为例,基于传热学及弹塑性变形理论探讨了路基在阴阳坡效应下的地温和变形分布;通过比较路基最大冻结深度到地下水位的距离与毛细水最大上升高度,得到河西走廊地区路基合理高度的确定方法及拟合公式,来表示其与地下水位以及年平均气温的相互关系。结果表明：张掖地区路基阴阳坡效应明显,阴坡冻结时间比阳坡长2个月;1月阴阳坡的温差最大,达到3℃;2月,路基的竖向最大位移达到26 mm,横向位移差达到6 mm;路基合理高度随年平均气温的升高而逐渐降低,随地下水位的增加而逐渐变大,其随年平均气温的变化幅度小于地下水。该研究可定性分析路基合理高度与年平均气温、地下水位的关系,为河西走廊地区定量计算路基高度提供理论参考。     

吉林省季节冻土冻结深度变化及对气候的响应

为了掌握季节冻土冻结深度的变化对气候的响应,利用1961-2015年吉林省46个气象站的逐日平均气温、地表温度、积雪深度、冻土冻结深度等数据,采用线性倾向估计、突变分析等方法,研究了吉林省季节冻土冻结深度的时空演变规律及其与气温、积雪的关系。结果表明：吉林省季节冻土最大冻结深度呈由西向东逐渐减小的空间分布特征,绝大多数站最大冻结深度呈减小趋势。基本上在10月开始冻结,次年3月达到最深,6月完全融化。西部冻土冻结深度变幅较大,其次是中部,东部最小。1961-2015年季节冻土最大冻结深度以-5.8 cm·（10a）^-1的速率显著减小（P<0.01）。最大冻结深度基本上呈逐年代减小的趋势,从20世纪90年代开始,最大冻结深度明显减小。最大冻结深度在1987年发生了突变,突变后平均最大冻结深度比突变前平均最大冻结深度减小了22.2 cm。通过分析气温和积雪深度对冻结深度的影响,认为冻土冻结深度对气温变化较为敏感,绝大多数站最大冻结深度与平均气温呈负相关关系。在年际变化上,气温的上升是最大冻结深度减小的主要原因。在季节冻土稳定冻结期,积雪深度超过10 cm,保温作用逐渐变强;当积雪深度达到20 cm时,保温作用显著,冻土冻结深度变浅。     

渭河流域西部季节冻融对浅层非饱和土壤水热变化的影响

以黄土高原渭河流域西部黄土丘陵沟壑区为研究区域,建立了野外观测场地,对该区域浅层非饱和土体冻融过程及水热运移规律对气候作用的响应过程进行了研究与分析。结果表明：气温对地温及地温变幅的影响随深度增加而迅速衰减,地温振幅随深度增加按指数规律衰减且温度波的相位随深度的增加而滞后,地表下200 cm深度以内地温振幅受气温影响较大。该区域裸露地表土壤的最大冻结深度在20～50 cm之间。在土壤冻结过程中,深层土壤未冻水逐渐向冻结层运移,导致深层含水量逐渐减少。不同深度土壤冻结系数随土壤深度的增加而减小,融化系数则相反。地表下50 cm深度以内的土体含水量受降水影响波动显著。土壤含水量与温度呈相似变化,地温峰值出现的时间总滞后于土壤水分,其变异程度均随土壤深度的增加而减小。     

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。     

基于SNTHERM雪热力模型的东北地区季节冻土温度模拟

冬季土壤温度在土壤肥力、植被安全越冬、土壤微生物活动中扮演着重要角色。雪盖的反照与隔热作用对冬季土壤温度变化及冻融过程具有一定影响,深入探究积雪覆盖对土壤温度的影响机制有十分重要的意义。雪热力模型（Snow Thermal Model,SNTHERM）是用来模拟和预测积雪演化和冻土温度的一维质能平衡模型。基于该模型,结合积雪下冻土温度的观测试验,通过模型模拟结果与实测数据的统计特征参数分析,进行了积雪覆盖下冻融土壤温度变化过程模拟的有效性和精度评价。结果表明,在积雪覆盖条件下,SNTHERM模型能够有效地模拟雪盖下浅层（5 cm、10 cm、15 cm深度）冻土日平均温度的变化过程,模拟值与观测值具有很好的一致性。通过改进模型中土壤层水分迁移等因素,能够提高冻土温度的模拟精度,为研究积雪各参数演化过程与下垫面温度的相互作用奠定理论基础,有助于提高积雪参量空间遥感的反演精度。     

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。     

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.