高速铁路路基冻胀综合监测体系研究

阐述了人工水准观测、自动监测(冻胀、冻深、水分)、轨道动态检测、轨道状态检查等方式应用于高速铁路路基冻胀监测的功能定位、仪器设备要求、测试要点及数据处理要求。针对高速铁路路基冻胀综合监测体系总体要求,探讨了高速铁路建设与运营各阶段不同监测方式的相互关系。高速铁路路基冻胀综合监测体系的建立为高速铁路建设期间的动态设计及安全运营提供了技术保障。     

高速铁路路基冻胀监测及数据分析研究

介绍高速铁路路基冻胀监测及数据分析的方法,包括基准网和变形监测的布设与测量,外业水准处理及数据的统计分析。     

高纬度严寒地区高速铁路路基防冻胀设计研究

为抑制严寒地区高速铁路路基冻胀变形量,满足铺设无砟轨道的要求,充分吸取换填、防水、保温等冻胀防治方法的最新研究成果,通过再创新,形成一种包含有防冻层、隔排水、局部保温的综合防冻胀技术,并应用于哈大高速铁路实际工程中。通过现场试验研究,得出采用该项技术路基冻胀量普遍小于4mm,防冻胀效果满足设计要求的结论。同时根据哈大线后期路基冻胀进一步深化研究成果,对哈大高速铁路路基冻胀规律进行总结,对路基防冻胀设计中如不冻胀土的判定标准、设计冻深的采用与修正、级配碎石掺水泥用于防治冻胀的优劣等几个问题进行进一步探讨,从实际应用方面提出建议和意见。     

严寒地区牡佳高速铁路路基冻胀特性研究

以牡佳高速铁路(牡丹江—佳木斯)为研究对象,基于自动监测、水准观测相结合的路基冻胀综合监测系统,通过现场人工观测及自动化监测,研究路基的地温及冻胀变形时空演化规律,揭示牡佳高速铁路路基冻胀变形发展变化过程.结果表明:路基断面不同部位冻胀变形差异整体较小,随里程变化趋势基本一致;路基的冻胀变形以基床表层冻胀为主,冻胀变形...     

高寒地区高速铁路路基冻深试验研究

根据自动监测的哈大高速铁路沿线不同区段大气温度和路基冻深数据,研究哈大高速铁路沿线路基冻深的发展变化特征。结果表明:路基的冻深发展过程可分为快速发展和双向融化2个阶段,最大路基冻深可达300cm;在路基冻深快速发展阶段,路基冻深的发展速率随着里程的增大而增大,全线路基冻深的发展速度在1.11~2.89cm·d-1之间;在双向融化阶段,深层融化线的上升速度约为1.36cm·d-1,而表层融化线的上升速度约为3.86cm·d-1;由于大气温度波动较大,很难直观反映其对路基冻深的影响,因此采用冻结指数分析大气温度对路基冻深的影响,冻结指数与路基冻深的关系可用对数函数拟合;与土壤最大冻深相比,路基最大冻深普遍偏大,这是由于在哈大高速铁路的路基冻深范围内所用非冻胀填料与天然土壤相比细颗粒少、含水率低、导热系数高所致,因此,在进行冻深计算时应充分考虑填料的热物特性。     

高速铁路路基微冻胀填料冻胀发育机制研究

为了揭示微冻胀填料的冻胀发育机制,解决寒区高速铁路路基冻胀问题,从理论上分析了微冻胀填料的组成,各组分的冻胀特点,在此基础上分析了填充料的受力及水分迁移情况。结果表明:微冻胀填料主要由骨架颗粒与填充料组成,其中填充料包括细骨料与细颗粒,当无外界约束作用或填充料膨胀力大于外界约束作用时,微冻胀填料将表现为宏观冻胀。微冻胀填料内部离散性较大,水分迁移通道不连续,由此造成冻结为"原位冻胀",细颗粒冻胀是微冻胀填料冻胀的主要原因,细颗粒冻胀时水分迁移造成空间体积占位,加大了冻胀程度。结论:微冻胀填料冻胀主要由细颗粒冻胀及其水分迁移引起。     

寒区高速铁路路基冻胀数值模型及防冻胀措施

寒区高速铁路路基的冻胀融沉直接影响列车的高速、安全和平稳运行。基于非饱和土渗流和热传导理论,将冻土水分场和温度场耦合,建立冻土的水热耦合微分方程;基于土体冻胀为各向同性的体积膨胀并且与材料的热膨胀现象相似,建立路基的冻胀模型;由水热耦合微分方程计算含冰量,再通过水动力冻胀模型计算路基的冻胀变形。数值计算与实测的路基冻胀变形规律基本吻合,均在路基达到最大冻结深度且冻结层开始双向融化时产生冻胀峰值,验证了数值模型的有效性;运用建立的数值模型分别计算保温板路基、保温板+沥青混凝土路基和保温板+沥青混凝土路面+碎石路基在最强冻胀效应时刻的冻胀变形,保温板+沥青混凝土路面+碎石路基的冻胀变形最小(最大值为1.3mm),保温板路基的冻胀变形最大(最大值为3.2mm)。建议在寒区高速铁路采用保温板+沥青混凝土路面+碎石路基的结构以尽量减小路基的冻胀变形。     

季节性冻土地区高速铁路无砟轨道路基冻胀的预防

围绕季节性冻土地区高速铁路无砟轨道路基冻胀预防问题,简述了无砟轨道的特性及冻害对无砟轨道的影响。分析了气候环境、地形条件、冻结深度、填料类别及含水率、水、积雪、路基类型、路堤高度等使路基产生冻胀的因素,并重点对线路选线、标准冻结深度综合修正、路基面高程、抗冻填料等进行了论述,提出了有待试验研究的问题。     

严寒地区高速铁路路基稳定性长期监测研究

研究目的:为保证严寒地区高速铁路的安全运营,通过分析严寒地区高速铁路路基的特点确定监测指标,并结合哈大高铁路基开展相应的监测技术研究,建立路基稳定性长期监测系统,实现路基状态多参量一体化的自动采集、信号自动传输、数据自动分析处理。基于获取的三年监测数据,进行路基稳定性指标的初步分析。研究结论:(1)路基地温呈周期性波动,地温振幅随深度增加而减少。浅层存在季节冻结层,冷季时自地表向下单向冻结,暖季来临时双向融化;(2)不同深度处的水分出现了迁移和重分布;(3)在列车动荷载和冻融循环作用下,填土性质可能发生了变化,导致了冻胀和融沉压缩变形;(4)监测系统运行稳定,监测数据可充分反映路基的地温等指标的分布规律,从而为哈大高铁路基的病害整治和行车安全提供重要支撑。     

高速铁路路基粗颗粒填料冻胀特性研究

研究目的:在季节性冻土区修建高速铁路,路基冻胀变形控制是关键性难题,影响轨道的平顺性与列车运营的安全性。粗颗粒填料是国内外路基工程包括高速铁路防冻层广泛采用的填料,研究高速铁路路基粗颗粒填料冻胀特性对高速铁路路基的防冻胀,保证轨道的平顺性具有重要的意义。研究结论:通过室内和现场试验,开展了不同配比粗颗粒土的冻胀特性研究。试验结果表明:(1)粗颗粒填料在满足路基压实条件的前提下,可有效控制路基冻胀变形;(2)通过改进的室内冻胀试验,能够使试验中土样的均匀性和压实效果更接近现场工程的实际情况,从而使得试验结果更加可靠;(3)通过合理控制粗颗粒填料组分、级配、细颗粒含量等设计参数,可以达到较好的防冻胀效果;(4)本研究成果可应用于严寒地区高速铁路路基的防冻层,能够有效抑制路基冻胀,保证轨道的平顺性。     

北方高速铁路路基防冻胀及补强措施

北方高速铁路路基冻胀普遍存在,直接影响铁路运行速度及安全。通过分析路基产生冻胀原因,提出了相应的方法,对已发生冻胀的路基提出了冻胀补强的方法,将路基冻胀控制在设计允许范围之内,可为今后类似工程提供经验。     

大西高速铁路路基冻胀分析及整治措施

大同—西安高速铁路综合试验段部分路基冻胀变形特征明显,变形大,段落长。部分路段冻胀量最大达18 mm,冻结深度最大达88 cm。以大西高速铁路综合试验段为研究背景,针对纬度较低的季节性冻土地区路基冻胀问题,分析了冻胀成因,探究了冻胀的发展趋势,并提出了轨道封闭-基床表层排水-基床底层排水的综合整治方案。深入探讨了关键工艺,提出了高路堑段基床底层盲沟渗水和明洞过渡段隔离开槽顺接侧沟排水的整治措施,解决了低纬度季节性冻土地区高速铁路路基结构的冻胀问题。     

掺煤矸石高速铁路路基填料冻胀特性试验研究

使用自行研制的单向冻胀试验系统,对高速铁路路基普通填料和掺煤矸石填料进行开放系统和封闭系统条件下的单向冻胀试验。试验结果表明:在冻结过程中掺煤矸石填料与普通填料的温度传导特性相近,总吸水量接近,冻结后水分的分布规律类似;掺煤矸石填料的冻胀量比普通填料稍大,但处于冻胀不敏感范围,且在不补水条件下会大幅减小。在季节性冻土区,对煤矸石废弃物进行产地再利用,采用掺煤矸石填料填筑高速铁路路基,能满足高速铁路路基的冻胀稳定性要求,具有可行性。     

高速铁路路基冻胀特性水泥掺入的改性研究

哈大铁路沿途广泛分布的季节性冻土,引起含不同细粉料的路基级配碎石垫层产生冻胀问题,不能满足高铁对线路平顺性的要求。通过掺入一定量的水泥,可以有效减少吸水量和冻胀量。基于相似理论开展了不同细粉含量、不同含水量及不同水泥掺量工况下路基级配碎石的冻胀特性研究,进行了4种细粉含量及4种水泥掺量条件下的孔隙率、含水率及冻胀量试验。结果表明:掺加水泥可显著降低级配碎石的冻胀率,未掺加水泥级配碎石其原位冻胀率可达1%~1.65%,随着水泥掺量的增加,掺水泥5%以上级配碎石硬化后基本可消除细粉土引起的原位冻胀和水迁移冻胀,其原位冻胀率小于0.2%。掺加水泥量必须同时考虑对冻胀率及物理力学性能的影响,建议水泥掺量为5%。     

季节冻土地区高速铁路路基设计

哈大和哈齐铁路是季节冻土地区高速铁路无砟轨道路基冻胀变形控制方面非常具有代表性的工程,本文通过对两个项目防冻胀设计措施、变形监测结果及相关研究成果的介绍,阐述了对路基防冻结构、防冻层厚度、防冻填料技术要求、路基冻胀变形发展规律等的认识:(1)混凝土基床是特殊条件下的路基防冻解决方案,一般应满足地下水位较高或常年积水且不具备降排水条件的低路堤地段;(2)季节冻土地区采用填料填筑的路基会发生冻胀变形,防冻层填料满足一定要求前提下,冻胀变形不会影响线路平顺性,可以保证高速铁路安全平稳运营;(3)冻胀变形小于4 mm的百分比随着时间的推移逐渐增加是东北地区各条高速铁路路基冻胀变形的共同特点,说明路基抗冻胀变形能力的稳定需要一定的时间;(4)反复出现的大的冻胀变形往往是填料细颗粒含量超标较多或者明显排水不畅的地段。施工期通过变形监测及时发现可能形成冻害的隐患并进行治理是非常重要的。     

铁路路基冻胀监测数据处理系统的开发

为了解决监测试验数据的汇集、管理、分析等问题,基于VC++语言开发了一套适用于铁路路基冻胀监测数据的处理系统软件。采用SQL SERVER以及Access数据库来支持系统的数据管理和设计工作,以数据文件或操作系统的剪贴板或其他软件与设计人员进行数据交换,将所有的监测数据需求梳理为一种"三因素"通用模式,以支持数据分析任务的定制。试用结果表明,该软件系统能够以项目树方式进行项目管理,以多种方式进行数据选择和分析,可实现按照用户意愿订制任务,满足用户分析需求,并显著提高工作效率。     

基于高速铁路路基冻胀的无砟轨道受力特征

研究目的:季冻区高速铁路路基冻胀变形较为普遍,局部冻胀变形会给无砟轨道受力带来较大影响,甚至有可能带来结构层开裂。为此,本文建立高速铁路无砟轨道-路基冻胀耦合计算模型,以路基冻胀变形曲线作为冻胀变形的输入条件,分析路基冻胀变形波长和幅值对不同类型无砟轨道结构受力的影响,同时对CRTSⅢ型板式无砟轨道底座板凹槽限位优化为凸台限位方案以及下部设置沥青混凝土封闭层的影响进行分析。研究结论:(1)路基冻胀变形幅值越大,冻胀波长越小,无砟轨道结构层应力均越大;(2)双块式无砟轨道在路基冻胀下道床板和支承层应力较大,易产生开裂,不宜应用于季冻区;(3)底座板限位凹槽是CRTSⅢ型板式无砟轨道在基础冻胀变形下的受力薄弱环节,将其优化为凸台后,能够较大程度降低结构在基础变形下受力;(4)在CRTSⅢ型板式无砟轨道底座板下设置沥青混凝土层时,轨道板及底座板应力均有降低趋势,沥青混凝土层弹模越低,应力降低幅度越大;(5)本研究结论可为基础冻胀变形控制标准的制定和季冻区高速铁路无砟轨道的选型提供参考。     

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。