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.     

多年冻土区路基的结构设计分析

研究目的:本文从分析冻土区路基表层的冻胀特征和底层的融沉特征入手,提出路基结构设计中冻土区路基表层的防冻胀措施以及低含冰量冻土和高含冰量冻土路基的防热融措施。研究结论:认为按地质和地温条件处理冻土,保持多年冻土上限不下降后,路基结构按“封闭系统”冻结条件进行设计,表层冻融层内用不冻胀的粗粒料填筑,其它部分按常规路基设计,即可满足多年冻土区路基结构功能的要求。     

季节性冻土区高速铁路路基冻深研究

针对季节性冻土区高速铁路路基冻胀的最大变形量应小于5mm的严格要求,开展季节性冻土区高速铁路路基冻深的研究。在综合分析国内外相关冻深求解方法的基础上,提出采用改进的Berggren法计算高速铁路路基设计冻深的公式。该公式考虑了路基的热力特性、气象条件以及地基条件,适用于特性各异的多层土路基。运用现场监测和基于比奥固结理论的有限元仿真分析方法及改进Berggren法,对某典型冻土区段高速铁路的路基冻胀及温度场和位移场进行测量、计算和分析,结果表明:路基冻深的发展历经较浅且小幅波动、向下快速发展且达到最大、逐渐减小和浅层小幅波动等阶段;路基冻胀变形主要发生在冻深的70%范围内;该典型冻土区段最大冻深的有限元仿真计算值为1.98m,改进的Berggren法计算值为1.94m,与实际监测值1.90m的计算误差分别仅为4.2%和2.4%,表明有限元仿真分析方法和改进的Berggren法均为确定路基冻深的有效手段。     

季节性冻土区路基基床粗颗粒土填料冻胀特性研究

季节性冻土区高速铁路路基冻胀病害日渐突出,路基冻胀对施工的影响也不容忽视,研究路基基床填料的冻胀特性对路基冻胀防治具有实际意义。选取东北某客运专线路基基床底层A、B组填料作为试验土样,通过不同含水率、不同细粒含量、不同冻结温度条件下的冻胀试验,研究各参数对冻胀率的影响。试验结果表明:该填料冻胀率随着含水率的增加而增大,细粒含量15%的粗颗粒土仍会发生冻胀;该填料冻胀率随着细粒含量的增加而增大;填料冻结温度直接影响该填料的冻结过程,进而对其冻胀率产生影响。     

客运专线路基工程的防冻胀处理措施

季节性冻土区路基冻胀和融沉使路基产生不均匀变形,是影响铁路运行速度和安全的重大隐患之一,解决路基冻胀问题是季节性冻土区路基设计的关键。结合哈大客运专线沈大段路基工程设计情况,对季节性冻土区客运专线路基工程防冻胀处理措施进行了说明。     

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。     

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。     

青藏铁路运营期间低温冻土区片石气冷路基工程效果分析

冻土区筑路技术问题的关键是冻土的热稳定性,这种热学问题的力学表现是路基变形。通过对青藏铁路运营期间冻土区典型地段路基地温场和路基变形特征的分析,指出青藏铁路冻土区路基地温场形态控制了长期运营期间的路基变形总量和横向差异变形总量。这些变形主要由冻土季节融化层土体的冻胀融沉变形、冻土压缩变形、冻土长期蠕变变形组成。工程监测以及理论计算证明了片石气冷路基结构保护冻土效果的长期可靠性,证明了其减少运营期路基变形,保证冻土区路基工程的长期稳定性的效果。     

季节性冻土区铁路路基含水率变化特征研究

季节性冻土区路基冻害一直是困扰铁路工程建设和运营的核心问题.针对兰新铁路西段路基冻害严重的问题,探讨不同工程措施对路基冻融循环过程中含水率变化的影响,以及含水率对路基冻结深度及冻胀变形的影响规律.研究结果表明,季节性冻结对兰新铁路西段路基含水率影响的范围在0.4～0.8m,影响深度有限;"隔一挖一"、"隔三挖一"等工程...     

防冻胀护道型式对季冻区高铁路基冻结特征影响分析

基于哈大高铁典型断面的实测数据,运用非稳态相变温度场的数学模型及数值模拟的方法,采用有限元软件COMSOL Multiphysics对路基温度场进行了数值模拟,着重研究了不同型式防冻胀护道对季节性冻土区路基冻结特征的影响,分析了其对路基横向地温及横向冻深差异的消除效果。得出结论:增大防冻胀护道的高度可有效减少冷量从两侧侵入路基,能有效减小路基冻深;根据现有研究,建议在修建南北走向季节性冻土区高速铁路路基时采用阳坡侧较低,阴坡侧较高,且阴坡侧护道高度与路基齐平的非对称型式护道,以最大限度减小路基横向地温及横向冻深差异。     

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.     

兰新高速铁路高寒地段路基温度场数值模拟分析

兰新高铁浩门至大梁区间所处地区海拔高,气温低,冻结期长,属于深季节性冻土区。为解决该区间路基冻害问题,依据当地气候条件,运用ANSYS有限元分析软件,对低路堤、零断面换填路基及不同深度处铺设保温材料的路基温度场进行数值模拟,分析路基冻结深度的变化规律和最大冻结深度,为高寒区高速铁路路基冻害防治措施设计提供参考。研究表明:(1)由于兰新高铁浩门至大梁区间海拔高、冬季冻结时间长、气温低等原因,导致路基冻结深度大;(2)零断面换填路基实测地温和数值模拟计算结果基本相符,所选计算模型、参数等可以为其他相同条件断面数值模拟分析采用;(3)铺设保温板路基温度场较未铺设保温板的0℃线上移,冻结深度增加速率变小,最大冻结深度明显减小,路基保温效果较好;(4)由于路基边坡、基床以下部位土层性质、厚度、热物理参数等影响,低路堤最大冻结深度比零断面换填路基大。     

季节性冻土区高速铁路混凝土基床变形研究

路基冻胀问题是影响季节性冻土区高速铁路平顺性的核心问题之一,严重影响高铁运营质量和安全。混凝土基床是一种新型的高速铁路路基防冻胀结构,能够有效减少路基冻胀问题,但也存在其本身在季节性冻土区气候环境下的变形问题。使用顺序耦合热应力分析对混凝土基床开展仿真计算,分析其在不同长度、不同温度环境下的变形规律。研究结果表明:混凝土基床存在冬季两端翘曲现象,在极端条件下变形差可达4.8 mm,结构长度和环境气温均对变形有影响。     

路基冻胀区双块式无砟轨道动力特性研究

纵连式无砟轨道在路基冻胀区域极易产生轨道结构断裂破坏及结构层离缝等病害。为研究纵连式无砟轨道在路基冻胀状态下的损伤机理,文章建立车辆-轨道-路基冻胀一体化动力学分析模型,对路基冻胀状态下轮轨动力响应特征、轨道结构动力响应特征及影响因素进行分析。结果表明:路基冻胀波长为10 m时,双块式无砟轨道各动力特征达到最大值;冻胀波长大于20 m时,各动力特征逐渐趋于稳定;列车荷载在层间离缝位置处使得轨道结构反弯,轨道结构层顶部纵向拉应力增大;20 m以下冻胀波时,拉应力超过或接近设计强度值;无砟轨道各动力响应特征最大值随冻胀幅值的增加显著增大,季冻区施工及运营期间应控制冻胀幅值增加。     

季节性冻土地区铁路路基冻结深度变化规律研究

对哈齐(哈尔滨—齐齐哈尔)客运专线DK221+150断面温度场进行实测,并对该断面温度场进行了二维有限元分析,研究季节性冻土地区铁路路基冻结深度变化规律及其影响因素,并拟合出冻结深度与热通量及持续冻结时间的函数关系。结果表明:该地区铁路路基最大冻结深度约0.3 m;路基冻结深度主要取决于浅层土体的热通量及持续冻结时间;当表层热通量降低至某一临界值后,土体冻结深度不再发展,冻土厚度开始逐步减少;冻结深度与热通量、持续冻结时间呈线性关系,随着冻结状态时间的延长,热通量的敏感性下降,持续冻结时间敏感性上升。     

大西客运专线寒冷地区路基冻胀现场试验

为掌握大西客运专线寒冷地区路基冻胀变形规律,选择4个代表性监测段落,在一个冻融期内对路基中地温、冻胀变形及含水量进行观测,测试结果表明:地温发展变化大致经历快速降温、慢速降温、升温3个阶段,部分段落的最大冻结深度测试值大于设计值;路基表层处体积含水量上下波动相对较大,路基深层处体积含水量有缓慢减小的趋势;路基冻胀变形均小于8mm,冻胀发生的部位主要集中在基床表层范围。     

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。     

基于冻胀变形的基床表层疲劳寿命预测与分析

季节冻土区的铁路建设面临着路基冻胀问题,周期性的循环冻融作用将会加剧路基结构的破坏,从而缩短路基结构的使用寿命。根据基床表层冻胀变形结果,建立基于人工变形边界的应力计算模型,并引用半刚性基层材料疲劳寿命计算公式,分别计算不同水泥添加量下的基床表层的使用寿命。计算结果表明:基床表层的最大拉弯应力随着冻胀波长的不断增大和冻胀量的不断减小而呈现增大的趋势,水泥添加量为0、1%、3%、5%时,对应的基床表层冻胀变形所导致的基床表层最大拉弯应力分别为31.2、57.6、69.0、75.1 k Pa;随着水泥添加量的增加,基床表层的使用寿命不断提高,水泥添加量分别为1%、3%、5%时,基床表层的使用寿命相较于不添加水泥的情况分别增加了27%、36%、48%。     

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。