高寒季节性冻土区铁路路桥过渡段冻胀特性数值模拟研究

铁路路桥过渡段是整个线路中至关重要部分,也是相对薄弱部位,高寒季节性冻土区铁路路桥过渡段填土冻胀引起墩台梁体变形变位,对线路平顺性造成了很大影响。针对高寒季节性冻土区铁路路桥过渡段冻胀问题,基于热力耦合理论,采用ABAQUS软件建立铁路路桥过渡段数值模型,分析过渡段温度场与填土冻胀发展变化规律,探讨由桥台后填土冻胀引起的桥梁-桥台-填土相互作用。结果表明：材料热力学特性与桥台温度边界是影响温度场平衡过程与分布规律的主要因素,且距桥台距离增加,影响逐渐减弱;过渡段土体地温具有正弦分布、相位滞后与振幅衰减规律;随着填土水平冻胀变形发展,桥台会逐渐发生侧移和倾斜,进而导致桥梁与桥台顶紧,影响桥梁结构安全。     

季节冻土区保温法抑制铁路路基冻胀效果研究

模拟气候因素变化过程,得到不同时期冻土路基温度场分布,温度场随时间的变化可以反映出冻结相变区的变化;进一步分析表明,铺设保温板后,对路堤中心下冻结深度线的提升具有显著的作用,但对坡脚附近土体冻结深度线影响甚微,应当做好路基边坡防护工作.考虑土体体积力和土体冻结相变产生的膨胀力,采用热弹塑性冻胀计算模型,得到冻土路基冻胀时的变形和应力分布.在此基础之上,对冻土路基发生最大冻胀时的变形场和应力场进行分析,结果表明:利用保温法增大热阻,推迟或预防地基土的冻结,可明显减小路基冻胀隆起变形,使路基中拉应力(拉应变)减小;铺设保温板后路基坡脚附近天然地表下季节冻结层土体仍发生较大冻胀变形,其冻结时巨大的冻结膨胀力对路堤边坡仍有一定的破坏作用.建议与换填法相结合,改善坡脚附近冻胀敏感性土的土质,减弱其冻胀性,从而减小冻胀力对路堤的破坏作用.     

环境温度作用下半整体桥台后土抗力试验

研究目的:半整体式桥台无伸缩缝桥(简称半整体桥)是一种新型桥梁结构形式.由于主梁与桥台刚接,在昼夜及季节性环境温度等长期作用下,主梁会使桥台沿纵桥向发生往复变位,进而引起台后土体的压力变化,产生土抗力.为研究半整体桥的台后土抗力分布规律以及中长期环境温度对土抗力的影响,开展中长期环境温度作用下半整体桥台-土相互作用拟静...     

季冻区高速铁路路桥过渡段稳定性试验研究

研究目的:对于路桥过渡段较多的高速铁路地段,控制路桥过渡段的沉降差是保证列车运行平顺性的重要因素,尤其是处于深季节冻土区的高速铁路路桥过渡段,其变形控制更加严格。本文以哈齐高铁某路桥过渡段为试验监测断面,基于现场地温、冻胀变形和沉降变形的试验数据,分析寒区高速铁路路桥过渡段的地温、基床表面的冻胀变形和基底的沉降变形,揭示寒区高速铁路路桥过渡段的地温与变形特征,从而评价路桥过渡段的稳定性状况。研究结论:(1)建设初期,采用掺3%水泥的级配碎石作为桥后回填料较粗粒土易吸热和放热;两者在相应深度处的温差随时间的推移逐渐减小并趋于0℃,最终桥后级配碎石与粗粒土达到新的热力平衡;(2)采用掺3%水泥的级配碎石作为路桥过渡段桥后回填材料,其基床表层与桥台间的最大变形差值为4.6 mm,满足规范要求;(3)级配碎石作为桥后回填材料,其基床表层的变形随时空的变化过程分为四个阶段:冻胀快速发展期、冻胀相对稳定期、冻胀抬升期和融化回落期;(4)级配碎石作为桥后回填材料,其冻结深度与基床表层的冻胀变形呈非线性关系,但路堤的最大冻结深度影响其基床表层的最大累积冻胀值;(5)路基阳坡的沉降量较阴坡大,离阴面坡脚越近,基底的沉降量和变形幅度越小;路基施工完成至铺轨前,基底沉降随时间的推移缓慢增大,但目前基底各测点沉降量均满足规范要求;(6)该研究成果可为今后季冻区类似工程设计、施工和维护提供参考。     

高速铁路桥台台背土压力的现场试验研究

结合现场试验对拟建高速铁路桥台台背土压力进行长时间观测,得到了桥台台背土压力的分布规律,并将试验结果与理论计算值作了比较.测试成果和土压力数据可供理论分析和高速铁路桥台设计参考.     

季冻区深基坑温度场及冻胀变形研究

考虑热对流和热传导作用,结合Laplace变换和Laplace反演推导基坑土体温度场解析解,并采用Matlab编程求解、分析其温度分布规律。依托哈尔滨某越冬施工的深基坑工程实例,采用有限元数值分析方法,分析冻胀对基坑影响及安全措施控制效果。研究结果表明:基坑暴露在低温环境下的时间越长,土体的冻结深度越深,但冻结深度增加速率随时间逐渐变慢;受冻胀影响基坑围护结构裸露段水平位移增加了11.5%～35.7%,且围护结构角隅位置受冻胀影响最大,冻胀对基坑影响不容忽视;较未设置保温层工况,保温层的设置使围护结构水平位移降低了11.6%～22.6%,保温层隔热效果明显。     

季节冻土区防冻胀护道对保温路基地温特征影响效果研究

运用土壤冻结条件下水热耦合输移基本方程及数值方法,考虑在铺设保温层情况下,加铺防冻胀护道对路基地温特征的影响规律,并与未加铺防冻胀护道的情况进行对比分析。结果表明:铺设保温材料对减小路基中部附近土体季节冻结深度有明显作用,但对路基两侧冻结深度影响相对较小;加铺防冻胀护道对边坡下土体季节冻结深度有一定程度的抬升作用,上升幅度由路基坡脚向路肩逐渐减小,但对路基中部附近土体季节冻结深度影响甚微;保温板-防冻胀护道复合路基结构形式,充分利用两种措施优点,对路基中心、路肩以及坡脚下最大冻结深度抬升的综合效果更好,抬升最大值分别为1.48、1.01、0.68 m。     

高速铁路桥台台背土压力试验与空间土压力计算分析

高速铁路桥台台后填土从填料选择、施工控制、质量监测等方面均不同于常规铁路。结合试验工程对台背土压力进行研究,同时运用三维有限元程序进行模拟计算,并将计算结果与实测结果进行对比分析。现场测试结果表明,台背土压力大致呈“抛物线型”分布,与库仑土压力理论的线性分布不同。软土地基上桥台土压力存在一定的时间效应,填土结束后有一随时间增长而逐渐趋于稳定的过程,至最终稳定大致需要3个月时间。有限元分析结果表明,台背土压力分布存在一定的空间效应,在同一深度上数值并不相等,中间大,两侧小。用库仑公式计算的结果比数值计算与实测的结果偏于安全。     

川藏铁路季节性冻土区粗颗粒土边坡温度场特征

以川藏铁路新都桥季节性冻土区粗颗粒土边坡为研究对象,通过建立边坡非稳态相变温度场的数学模型,并结合现场监测,分析边坡冻融界面变化规律、温度场分布特征及边坡不同部位的温度场分布特征。结果表明:新都桥地区粗颗粒土边坡最大冻结深度在0.8~1.0 m,且地表以下2 m范围内温度梯度随时间变化最为剧烈;边坡非恒温层范围内温度场随大气温度变化呈正弦规律变化,且从地表至地下4 m温度变化相对滞后0~3个月;此外,边坡不同部位最大冻结深度约有0~30 cm的差异。     

低液限粉土填料掺盐抑制冻胀效果研究

采用室内单轴冻结试验,对比封闭条件下神朔重载铁路低液限粉土填料掺盐前后水分迁移和冻胀特性,并分析不同类型盐分、含盐量下抑制土体冻胀效果。结果表明:(1)低液限粉土的起始冻结温度随含盐量的增加而降低;掺入NaCl后起始冻结温度明显降低,有效抑制了土体的水分冻结;Na2SO4也能降低起始冻结温度,但效果不如NaCl。(2)随着盐含量增加,土体水分迁移量减少;加入NaCl后,冻结深度减小,冻结锋面含水率降低;加入Na2SO4后冻结深度无明显改变。(3)掺盐可有效抑制土体冻胀,且冻胀量随含盐量的增加而减小,NaCl抑制土体冻胀效果强于Na2SO4。建议该地区优先掺入NaCl来抑制路基冻胀,且掺入量控制在1.5%~2%之间。     

呼和浩特地铁深基坑支护冻胀影响数值分析

研究目的:为研究低温作用下水土冻胀对地铁基坑支护结构的影响,依托呼和浩特市某车站地铁基坑,建立地铁深基坑数值计算模型,模拟季节温度变化对基坑体系的影响,探究越冬基坑在外界温度变化条件下,基坑周边土体、地下连续墙及坑底土体温度场变化规律,水土冻胀力主要影响范围,基坑支护体系内力及变形的变化规律。研究结论:(1)冻胀初期受表层温度影响较大的范围主要集中在5 m以内,随着外部温度的逐渐下降,土层冻结深度在逐渐增大,且在距离基坑0. 5 m范围内最大冻深达到15 m,在基坑外侧边缘的土体冻深相对较小,受气温影响较大;(2)基坑外侧土体受冻胀影响范围集中在7 m以上,随着基坑深度的增加,支护结构受冻胀的影响逐渐减少,且影响减少得较为迅速;(3)低温条件下考虑水土冻胀影响,基坑第一道横撑轴力增加约22%,地连墙最大水平位移增加约24%;(4)本研究成果可为严寒地区深基坑工程支护设计与施工提供参考。     

封闭条件下粉土填料冻胀特性试验研究

以神朔(神木—朔州)铁路路基冻害严重地段路基填料中低液限粉土填料作为试验土样,进行由上向下冻结的室内封闭系统冻胀试验,分析压实系数、含水率、冷端温度对其冻胀特性的影响。结果表明:低液限粉土填料的初始冻胀含水率和最优含水率相当,约为15%;随着土体初始含水率从15%增大到21%,冻胀量和冻胀率出现显著增大;含水率和压实系数相同时,冷端温度的降低会导致前期冻胀速率增大,冻胀量和冻胀率逐渐增大;其他条件相同时,随着压实系数从0.89增大到0.93冻胀量和冻胀率也略有增大。     

整体式桥梁力学性能的关键参数分析

以深圳市南坪快速路立交主线桥为背景,基于该桥的空间实体有限元模型,采用单一参数控制法,研究桥台高度、台后填土抗力、桩侧土体抗力3个变量在温升、温降2种工况下对桥梁结构的应力、位移等静力指标和基频、反应谱等动力指标的影响。研究结果表明:桥台增高,台后土压力随之增大,桩基顶顺桥向水平位移减小,自振基频增加;台背填土抗力增加,直接减小了桩基顶水平位移,提高自振频率;桩侧土抗力增加,提高了结构整体刚度,地震荷载作用下结构顺桥向水平位移减小。     

超长地铁联络通道水平冻结温度场变化规律分析

掌握了超长地铁联络通道冻结温度场的变化规律,就能够预测分析地层冻结温度场,可提前判断冻结壁发展状况。以福州地铁2号线某区间超长联络通道冻结施工为例,建立三维有限元数值计算模型,通过对比分析冻结阶段的数值模拟分析结果与实测数据,验证了计算模型的准确性。基于该数值计算模型,研究了初始地温、导热系数、比热容对该温度场影响的规律。结果表明:冻结温度场变化主要分为温度快速下降与相变阶段、温度下降、土体温度稳定3个阶段;冻结壁交圈时间与初始地温、比热容近似呈线性递增关系,初始地温每升高5℃,交圈时间延长2d,交圈时间随比热容增加而延长;冻结壁交圈时间与导热系数呈负相关,导热系数每增高10%,交圈时间缩短1d。     

基于温度变形效应的整体式桥台-H型钢桩-土相互作用拟静力试验研究

由于环境温度使主梁发生胀缩变形，导致整体桥桥台水平往复运动及桥台-土、桩基-土的相互作用。本文以某整体桥为工程背景，开展基于昼夜温度、季节性温度变形效应的整体式桥台-H型钢桩-土体系的低周往复位移荷载拟静力试验，分析试件的滞回性能、骨架曲线、桥台转角等变化规律。试验结果表明：试件全年滞回曲线可视为季节性温度作用、昼夜温度作用的滞回曲线叠加。从季节性温度作用来看，受春夏季升温影响，MTS水平力先快速增大，随后持续升温，水平力增速放缓；受夏秋季、秋冬季连续降温的影响，水平力先急剧减小，而随后持续降温，水平力降低减缓；受冬春季升温影响，水平力先急剧增加后增速放缓，其增速与第一次春夏季升温时相似，但由于台后土发生累积效应，产生的水平力更大。从昼夜温度作用来看，当环境温度较高时(夏季),夜晚降温对体系相互作用的影响大于白天升温时的影响；当环境温度较低时(冬季),白天升温对体系相互作用的影响大于夜晚降温时的影响。从骨架曲线来看，受中长期环境温度影响，整体式桥台-桩-土体系相互作用中存在由非线性向线性不断转化的过程。在加载初期，桥台转角与加载位移变化规律基本一致，随着环境温度变化，两者逐渐偏离，特别...     

寒区隧道三维温度场数值分析

根据考虑相变瞬态温度场的控制微分方程,应用Galerkin法推导出三维有限元计算公式并编制了计算程序,对一座已经建成的寒区隧道进行了算例分析。分析表明沿隧道轴向的初始温度不是均匀的,并且沿轴向也有热量传递,隧道围岩冻结深度沿轴向分布与隧道内大气平均温度沿轴向分布的规律不同,因而,对寒区隧道进行三维温度场分析是必要的。为了保持寒区隧道围岩的原始热状况,防止因冻胀和融沉而发生破坏,采用铺设合理保温材料的方法是行之有效的。从而,为寒区的实际工程设计提供理论依据和计算方法。     

季节性冻土地区保温护道路基温度场数值模拟

研究路基及周围土体温度的分布规律是分析季节性冻土地区路基稳定性的重要基础,结合哈齐客专DK221+150断面3 a的现场监测数据,分析了天然地表及路基不同位置的地温分布规律;建立温度场的仿真模型,研究温度沿深度方向的变化规律;利用实测数据验证模型,分析保温护道高度对路基温度场的影响。现场监测和模拟计算结果表明:护道对路基的边坡下部和坡脚处影响较大,能够有效减小冻深,但对路基中心的温度场影响不大。     

考虑孔隙比的冻胀弱敏感性土修正PCHeave模型研究

针对我国严寒地区高速铁路路基填料和机场填方等工程具有严格的压实度要求,而考虑孔隙比的冻胀弱敏感性土冻胀影响研究尚未有系统性的理论分析,采用理论与经验分析相结合的方法,基于冻胀弱敏感性土的孔隙比与渗透系数和未冻水含量之间的关系,建立考虑孔隙比的修正PCHeave模型。基于该模型分析孔隙比与冻胀量、冻结深度和冻胀率之间的关系,并进行试验对比验证。研究结果表明：孔隙比与冻胀弱敏感性土的未冻水含量之间存在很好的线性关系;冻胀弱敏感性土的冻胀量和冻胀率均随孔隙比先增大再减小,即存在一个最不利孔隙比使得冻胀量和冻胀率均达到最大值;冻胀弱敏感性土的冻结深度随孔隙比增大而逐渐增大;若仅考虑孔隙比对饱和渗透系数的影响,冻胀量和冻胀率均随孔隙比显著增加,若仅考虑孔隙比对未冻水含量的影响,冻胀量和冻胀率均随孔隙比减小,但减小幅度很小。冻胀弱敏感性土通常被认为不能产生显著冻胀,在一定孔隙比下也能产生较大冻胀,同时考虑孔隙比对饱和渗透系数与未冻水含量的影响要更合理。冻胀弱敏感性土的冻胀不能忽略孔隙比的变化,与试验结果对比,该模型能够较好地描述孔隙比对冻胀弱敏感性土的冻胀影响。     

XPS保温板在高速铁路路基结构防冻胀措施中的应用

在严寒地区,引起高速铁路路基冻胀的因素主要为填料细颗粒含量、填料含水量及地温。为测试路基基床表层铺设XPS保温板的防冻胀效果,选取某客运专线DK115+373～DK115+603段为试验段,测试不同防冻胀措施(XPS保温板、基床表层毛细排水板)条件下路基温度场规律、含水量分布、防冻胀效果及冻胀变形特征。研究表明,路肩两侧冻结深度较路基中心大,受阳坡、阴坡影响也更为显著;路基横断面含水量分布随深度增加而增大,不同断面同一深度含水量变化不大; XPS保温板可有效阻止热量在路基垂直方向上的传导,从而减少路基最大冻深;且毛细排水板可防止基床表层水渗透至基床底层。     

整体式桥梁台后土压力的试验研究

通过定期观测整体式桥梁桥台后土压力,研究台后土压力与均匀温差之间的关系,得出在升温和降温温差下台后土压力沿台高的分布和变化规律,并对试验数据进行了数学统计处理,建立了台后土压力系数与上部结构变形和桥台高度之间的数学关系。将该计算方法的计算结果与实测值进行了对比,证明该公式精度较好,且偏安全,可用于工程实践。