微冻胀填料中填充料冻胀与骨架颗粒的相互作用机制

针对季节性冻土地区路基冻胀对高速铁路平顺性影响的问题,运用室内试验与理论分析相结合的方法,研究填充料、含水率及外荷载等因素对微冻胀填料冻胀的影响,并分析冻胀过程中填充料与骨架颗粒之间的相互作用机制。结果表明:微冻胀填料由粗粒骨架、骨架颗粒之间的填充料及未填充的剩余孔隙组成;当填充料填充率为0.25时,填料发生初始宏观冻胀;上覆荷载具有抑制填料冻胀的作用;冻结过程中刚度较大骨架粗颗粒的体积基本不发生变化,而填充料体积发生膨胀起到填充骨架颗粒间剩余孔隙和抬升骨架颗粒的作用,引起宏观冻胀;当骨架颗粒间的剩余孔隙率较大时消纳作用强,同时削减了抬升作用,而抬升作用使骨架颗粒间的间隙增大,从而又促进了填充料填充作用的发展;当骨架结构稳定时,填充料的填充作用明显;微冻胀填料的冻胀过程实际上是填充料的填充作用与抬升作用的动态平衡过程。     

不同细粒含量下高铁路基粗颗粒填料水气迁移特征与冻胀特性

采用自行研发的水气迁移试验装置开展单向冻结试验,研究在气态水迁移和水气混合迁移2种水分迁移模式下,不同细粒含量粗颗粒填料的温度场与冻结深度、外界补水量、水分重分布、液态水迁移高度及冻胀变形的变化规律,分析细粒含量对高铁路基粗颗粒填料水气迁移特征及冻胀特性的影响。结果表明:细粒含量和水分迁移模式对粗颗粒填料冻结过程和深度的影响不显著;温度梯度是外界水分向粗颗粒填料试样内部补给的主要内在驱动;增加细粒含量,有利于液态水迁移,一定程度上阻碍气态水迁移;水气混合迁移模式下,细粒含量越高,外界补水量越大,而气态水迁移模式下,细粒含量越高,外界补水量越小;相同水分迁移模式下,细粒含量越高,粗颗粒填料试样冻胀变形越大。     

兰新高铁粗颗粒土填料冻胀性试验研究

针对兰新高速铁路路基冻害防治,通过不同细颗粒含量、不同含水率下的4个取土场路基填料在封闭系统和开放系统下的冻胀试验,进行粗颗粒土填料的冻胀性研究。结果表明:含有细颗粒的粗颗粒填料在冻结时可能会发生冻胀,其冻胀率取决于填料中的细颗粒含量、冻结前的含水率及冻结过程中水分补给情况;封闭系统条件下,冻胀率随含水率及细颗粒含量的增加而增大,细颗粒含量在3.76%~21.46%,处于饱和状态时填料的冻胀率可达1.1%~2.2%,冬季发生冻结时所产生的冻胀量会超过高速铁路无砟轨道高低偏差管理值,造成路基冻害;开放系统条件下的冻胀率远大于封闭系统下,压实系数为0.93时冻胀率可达3.45%~4.7%。可见,控制填料中的细颗粒含量、做好防排水设施是高铁路基防冻害首要选择的措施。     

高速铁路路基基床表层低细颗粒含量级配碎石冻胀机理研究

在我国寒冷地区,高速铁路路基的防冻胀结构设计,是需要重点考虑的问题。在高速铁路路基的设计施工中,采取了控制细颗粒含量、设置隔水层、加强排水等一系列防冻胀措施,但铁路路基冻胀病害仍时有发生。为了掌握高速铁路路基基床表层冻胀病害特点及原因,对低细颗粒含量的级配碎石填料进行了试验研究。结果表明:随着细颗粒含量的增加,级配碎石的冻胀敏感性增加,冻胀量增大;且细颗粒含量越大,外界水分对路基填料土体的冻胀影响越大;土体的渗透系数越大,其抗冻能力越强,当渗透系数大于10~(-3)时,土体的冻胀系数小于1;通过对低细颗粒含量级配碎石冻胀机理的分析,得出粗颗粒骨架接触部位的水及粘粒颗粒是引起低细颗粒含量级配碎石冻胀的主要原因。     

高速铁路路基填料中细颗粒分布特征及其对冻胀的影响

采用X-CT、压汞、扫描电镜、核磁共振、冻胀试验等方法,研究不同细颗粒含量下严寒地区高速铁路路基粗颗粒填料的微观结构及冻胀特性,发现填料中细颗粒分布具有明显的簇团特征,水分主要存在于簇团结构中,冻胀率、簇团率、细颗粒含量之间呈显著的线性关系。试验结果表明:簇团率随着细颗粒含量的增加线性增大,当细颗粒含量在3%~15%时,簇团率增长最快;100μm以下的中小孔隙作为孔隙水的主要持水结构主要分布于簇团中;填料的冻胀率与簇团率呈线性关系,簇团率超过2%后冻胀率快速增大,当簇团率超过8%、对应的细颗粒含量超过15%时,冻胀率将超过1%。本文提出细颗粒簇团及其分布与持水特征,可以用于解释细颗粒在粗颗粒填料冻胀中的作用机理。     

气态水诱发高速铁路路基冻胀的潜在机理研究

针对我国严寒地区高速铁路路基中冻胀不敏感性粗颗粒填料大范围冻胀的现象,基于所提出的非饱和冻土水热耦合模型,阐述了气态水迁移成冰作用诱发非饱和路基冻胀的机理。结果表明:不考虑气态水迁移成冰作用时,产生的冻胀量几乎为0,而考虑气态水迁移成冰作用时,产生18.4 mm的冻胀,与实测值大致相同,且冻胀量与实测曲线吻合较好,冻结深度与哈大高速铁路路基四平段的实测值曲线吻合也较好,说明本文机理能够较好地解释上述冻胀现象发生的原因;与其他三种不同冻胀诱发机理的对比分析表明,严寒地区高速铁路路基冻胀是路基细粒含量、降水、地下水位等多种因素共同作用的结果,占据主导作用的因素需视具体工程情况判定。     

寒区客运专线铁路路基防冻胀填料压实试验研究

在寒区修建无砟轨道,路基防冻胀问题是必须解决的关键技术之一,而控制路基填料细颗粒的含量是路基防冻胀最主要的工程措施。通过分别对筛除4、5、6 mm以下粒径的防冻胀A、B组填料及掺有石粉、砂的基床表层级配碎石进行了不同组份的配比试验、不同控制孔径筛分生产试验及碾压试验,分析了填料级配与压实性之间关系,找出了满足填料防冻胀及压实性的填料级配,为工程实施提供了依据。     

哈大铁路客运专线路基填料冻胀性试验研究

路基变形控制是严寒地区客运专线的难点,消除冻胀危害是路基设计、施工重点考虑的问题,填料是影响路基冻胀的最主要因素。通过对典型A、B组填料冻胀性的试验研究,分析了填料冻胀性与含水率、细粒掺量、掺配土质、水分变化、干密度之间的关系,对路基填料选择和现场施工提出了建议。     

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.     

哈齐客运专线路基防冻胀施工关键技术探讨

以哈齐客运专线为工程背景,针对冻土地区路基的特定填料,合理优化选取了天然砂砾类料做为路基填料;通过试验段施工,结合天然细圆砾土A、B组填料最佳含水量、最佳颗粒级配、细颗粒含量,确定了合理的施工工艺及各项技术参数;根据设计要求提出一系列防冻胀措施,并对能够保证路基压实度、K30、E vd等各项检测指标符合设计及规范要求的技术方法进行了分析,满足了施工需要,成功解决了表层压实的难题;通过冻胀变形观测验证了防冻胀措施的效果,形成了稳定成熟的冻胀地区路基施工工艺、方法。     

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。     

考虑补水条件的长白铁路路基土冻胀特性试验研究

水作为季冻土发生冻胀的主要条件之一,对土体的冻胀特性有显著影响。本文选取长白铁路扩能改造工程CBSG-3标段沿线不同路基土样,基于开放系统下的室内季冻土冻胀试验,开展-15℃下的单向冻结补水试验,探究不同土样在饱和补水和非饱和补水工况下的冻胀特性。结果表明,不同土样冻胀量发展大都经历三个阶段:快速增长—缓慢增长—保持稳定;土样本身含水率和外界水源都可显著增加土的冻胀率,在饱和补水与非饱和补水工况下,淤泥质粉质黏土冻胀率最大分别为38.8%、31.2%,粉砂土的冻胀率最小分别为21.7%、11.1%。基于研究结果,制定不同路段的路基防冻胀措施。     

单向冻结条件下饱水砂卵石冻胀融沉特性试验研究

以北京典型饱水卵石7#地层为研究对象,利用恒温恒压冻胀融沉仪,研究不同干密度饱水砂卵石在开放系统和封闭系统条件下的冻胀率、融沉系数、冻胀力及水分迁移量。试验结果表明:①饱水砂卵石的冻胀率和融沉系数均小于1%,远小于黏土、粉土的冻胀率和融沉系数,且随干密度的增大而减小;②封闭系统砂卵石冻胀率(力)和融沉系数大于开放系统;③饱水砂卵石冻胀过程是排水过程,排水量占土颗粒质量比例不超过1%;④无论是开放系统还是封闭系统,砂卵石经冻胀融沉后,总有一定的变形残余量。研究成果为冻结法在北京深层地下空间应用提供理论依据和参考。     

兰新高铁甘青段路基冻胀自动监测及分析研究

为查明兰新高铁甘青段路基冻胀变形原因和影响因素,提出相应的冻胀处理措施,将路基冻胀变形控制在允许范围之内,采用自动监测系统,对路肩以下5 m范围内路基的冻结深度、水分、冻胀变形等进行监测,并对监测结果进行统计分析和深入研究。研究结果表明:路基冻结深度的发展主要受气温的影响,基床表层以下填料含水量随着冻结深度增加缓慢增加;基床表层及基床底层上部1.0 m范围冻胀量占总冻胀量的80%以上;低路堤地段冻胀最严重。为减少路基冻胀量,设计及施工时应采用全冻结深度防冻胀方案,以填料防冻胀为主,辅以防水、疏水和隔热等综合措施;低路堤地段防冻胀措施应适当加强。     

兰新高铁军马场至民乐区间路基冻害原因分析及整治措施

兰新高铁兰州铁路局管段2014年冬季无砟轨道精测精调时发现K2 005~K2 030区间的轨道平顺性不能满足列车运营要求,其原因系路基发生冻胀所致。通过现场调查、试验研究、数据分析得出冻胀原因,并提出整治措施。(1)基床底层填料多为B组粗颗粒填料,其粒径小于0.075 mm的细粒含量为10.96%~21.46%,填料在水分、低温等不利条件作用下会发生冻胀或微冻胀造成高铁路基发生冻害;(2)该区段雨(雪)水、农田灌溉水等水资源丰润,水分将从路基边坡、天然护道、排水沟两侧等进入路基,造成路基体内水分较高,给冬季负温作用下发生冻胀提供了有利条件;(3)因路基填料与天然地基土热力参数的差异性,加之该区间海拔高、冬季温度低且低温持续时间长等环境因素影响,路基冻结深度达到2.5 m以上,大于该区土壤标准冻结深度;(4)由于该线已开通运营,通过修建渗水盲沟、反压及保温护道、隔水墙等措施消除或减小冻胀变形,以保证高铁正常运行。     

寒区硬岩隧道冻胀力的量值及分布规律

根据寒区硬岩隧道冻胀力产生的机理,推导冻胀力的计算公式,并以此得出冻胀力的分布规律服从正态分布。采用半公式半经验的方法,即“等效弹性当量系数法”计算出冻胀力的量值。衬砌结构所受的冻胀力是由衬砌结构与围岩之间积存的水体冻胀引起的,其方向始终垂直于衬砌结构。积存的水体深度主要取决于施工因素,可近似为毛洞超挖的高度。冻胀力的大小与衬砌结构和冰的弹性当量系数的平均值、围岩的弹性抗力系数的平均值、水的冻胀率和积存水体的深度等有关,其量值随围岩级别的不同而有所差异,通常情况下冻胀力取0.9~1.43 MPa;而对冬季地下水仍很丰富的地区,其冻胀力取为0.92~2.31 MPa。当其它因素一定时,冻胀力随衬砌结构弹性当量系数的增大而增大,说明衬砌结构刚度的增加对抑制冻害不利,因此衬砌结构宜柔不宜刚。     

哈大高速铁路路基冻胀规律及影响因素分析

根据哈大高速铁路路基冻胀的测量和普查结果,进行系统分析和对比,提出严寒地区无砟轨道路基冻胀的特点和基本规律,分析路基冻胀的水分、温度及细颗粒含量等影响因素,从结构设计角度提出预防和减弱冻胀的设计优化建议,对严寒地区无砟轨道路基冻胀处理及结构优化设计具有重要的指导意义。     

严寒地区路桥过渡段无砟轨道结构变形及损伤

以路桥过渡段CRTS Ⅲ型板式无砟轨道为研究对象,采用ABAQUS软件,建立非线性分析模型,基于混凝土塑性伤损理论,研究严寒地区路桥过渡段无砟轨道结构的变形及损伤.结果表明:过渡段冻胀变形对底座板损伤影响较大,而过渡段沉降变形对复合板(轨道板与自密实混凝土结合体)和底座板损伤均有影响;当过渡段长度较短时,冻胀变形导致的...     

路桥过渡段基床填料膨胀诱发无砟轨道上拱规律研究

无砟轨道路基膨胀诱发钢轨上拱是高铁建设运营面临的常见病害之一,路桥过渡段是路基膨胀病害的高发路段,为研究高铁路桥过渡段路基膨胀后钢轨上拱分布及路基结构变形规律。以一处典型过渡段路基膨胀工点为例,通过现场监测和室内试验判别轨道上拱情况及路基膨胀层位,并通过数值模拟计算研究路基基床膨胀对过渡段路基结构的影响规律。研究结果表明:水流下渗与基床填料中的蒙脱石作用是导致填料发生膨胀的主要诱因;桥梁对路基膨胀引起的钢轨上拱具有明显的阻隔效应,临近桥台侧钢轨上拱变化范围明显小于远离桥台侧;路桥过渡段基床填料膨胀率为0.08%时,钢轨上拱量达到无砟轨道钢轨上拱可调节临界值4 mm;临近桥台侧钢轨轴向应力峰值远大于远离桥台侧。