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。     

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。     

高速铁路改良粗颗粒填料冻胀特性试验研究

针对寒区高速铁路出现的路基冻胀问题,为改良其渗透性和冻胀特性,从路基的粗颗粒填料入手,加入无机材料进行试验,并以冻胀率不超过0.1%为标准,研究粗颗粒填料级配碎石的改良材料类型、最佳配比等技术参数。结果表明:相对于石灰和粉煤灰,掺入水泥可以大幅度减小级配碎石的渗透系数和冻胀率,从而减少水分向填料内部的渗透以及抑制填料的冻胀;在开放补水的冻胀试验条件下,在分别掺入15%,20%和25%粉土的级配碎石中对应掺入3%,5%和5%的水泥,可将冻胀率控制在0.1%以内,说明在粗颗粒填料中掺入水泥后,适当增加粉土的含量并不会使填料产生过大的冻胀变形,从而解决寒区高速铁路路基的冻胀变形问题。     

隔热层对季节冻土区无砟轨道路基冻胀防治的适应性分析

结合客运专线无砟轨道路基的工程结构及我国东北地区季节冻土的工程特点,通过对粗颗粒土的室内冻胀试验,得出随着细颗粒含量的增加,粗颗粒土的持水性和冻胀率都相应增大;当粗颗粒土中小于0.075 mm细颗粒含量为5%时,土样经饱和再排水条件下冻胀率为1.31%。根据哈齐客运专线季节冻土区的地质及气候条件,采用有限元数值方法分别对季节冻土区既有和新建的客运专线无砟轨道路基设置隔热层后的路基温度场进行了对比分析,计算结果表明:对于新建路基,在路基面铺设10 cm厚隔热层和保温护坡措施后路基的保温效果良好,可以起到对路基冻害的预防作用;对于既有路基,采用在路基面(轨道板处除外)和边坡位置铺设隔热层措施,路基的保温效果不明显。     

基于X-CT扫描成像技术的级配碎石冻结状态细观研究

以高速铁路基床表层级配碎石为研究对象,基于X-CT扫描成像技术进行级配碎石冻结状态细观研究。利用X-CT扫描技术结合图像处理技术重构冻结状态下的三维级配碎石试样模型。通过断层扫描图像的灰度识别技术,辨识出级配碎石中不同组分的灰度范围,进而获取级配碎石颗粒、冰晶和孔隙的分布特征。不同饱水度和细颗粒含量级配碎石冻结状态的X-CT扫描分析结果表明:冰晶主要聚集在试样的孔隙和粗、细颗粒交界处;冰晶含量随饱水度增加而增加,孔隙率随细颗粒含量的增加而减少;级配碎石冻胀有别于传统细粒土冻胀,主要在细颗粒聚集区发生水分微迁移,推动粗颗粒旋转、错动,使其偏离原来的位置,引发冻胀。     

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。     

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。     

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。     

铁路路基戈壁土填料级配及压实特性分析

通过对新疆戈壁地区某铁路路基试验段各工点填料的颗粒分析试验、重型击实试验、振动击实试验以及现场的压实质量K30检测,分析戈壁粗粒土的颗粒组成、颗粒级配、粗颗粒含量及细颗粒含量对压实效果的影响。分析表明:新疆戈壁地区填料主要为不均匀级配不连续土,大部分属于B组填料,且由东向西由细变粗,属于缺级粗粒土,填料中1～2 mm粒径含量相对偏少,是造成填料级配不良的因素之一;填料中粗颗粒含量及细粒含量对最大干密度的影响显著,且存在着良好的线性关系。运用多元线性回归,建立了填料的颗粒级配特征粒径与最大干密度的回归方程。各工点现场K30检测结果分析表明,当填料的级配处在泰勒理想级配范围内,填料中粗颗粒含量在60%～70%左右时,压实效果良好。     

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。     

高速铁路基床表层级配碎石填料土体结构类型试验分析

采用基于分界粒径-体积填充原理的粗颗粒土填料土体结构类型测定方法 ,分析高速铁路基床表层级配碎石填料的土体结构类型随颗粒级配的变化特点。试验表明:级配碎石填料中粗颗粒含量逐渐增多或细颗粒含量逐渐减少,引起土体结构由悬浮密实型向骨架密实型、再向骨架孔隙型转变。据此,提出级配碎石填料的土体结构分别为悬浮密实、骨架密实、骨架孔隙3种类型所对应的粒径级配控制值。研究成果对完善高速铁路基床多层结构体系中不同功能土层的碎石填料级配技术标准具有参考价值。     

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。     

哈齐客专基床粗粒土填料击实特性研究

以哈齐客专基床粗颗粒填料为研究对象,采用表面振动击实仪研究了不同细颗粒含量条件下该填料的击实特性,探索了细颗粒含量对该粗粒土填料最大干密度及最优含水率的影响规律。结果表明,该填料的击实特征曲线中,细颗粒含量小于9%时表现为明显的双峰值规律;细颗粒含量大于9%时表现为单峰值规律。随细颗粒含量的增大,最大干密度呈现先增大后减小的规律,细颗粒含量为9%时取得最大值2.42 g/cm~3;最优含水率随细粒土含量的增加而增大,但增长速率逐渐变小。     

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。     

高速铁路渗透性基床防冻胀结构研究

基于填料抗冻理念,以合理的填料持水率、冻胀性及压实特性为综合目标,探讨了适用于高速铁路路基防冻胀的渗透性级配碎石的级配组成。通过不同级配条件下室内饱水持水试验、渗透试验和冻胀试验,研究了不同级配填料的持水能力、渗透性能和冻胀特性,明确了渗透性级配碎石的级配范围。依托中国东北地区一高速铁路开展了现场填料制备、压实及试验段防冻胀效果监测试验研究,完善了渗透性级配碎石的制备和压实工艺。研究结果表明,渗透性级配碎石基床应用于高寒地区高速铁路路基防冻胀是可行的。     

客专铁路路基A、B组填料冻胀性浅析

研究目的:通过阐述路基土冻胀机理及影响因素,结合本段的填料情况,浅析路基基床底层用60 cm细粒含量除小于5%的碎石类土满足路基填筑冻胀要求外,细粒含量小于15%的是否也可以有效防止冻胀。研究结论:通过对路基冻胀的主要机理、影响因素以及路基A、B组填料冻胀性的试验,浅析了路基特定填料的冻胀特性,得出在路基基床底层用60 cm厚细粒含量小于15%的碎石类土填筑路基可有效防止冻胀的结论,但鉴于土的冻胀性影响因素相当复杂,各种研究成果具有局限性,填料冻胀性还需进一步修正和补充,从而使路基防冻胀填料和结构设计更加合理。     

蒙辽客运专线粉砂地基固结压缩特性的三轴试验研究

依托新建通辽至京沈高铁新民北站铁路路基工程,对细颗粒含量分别为10%、15%、30%和40%的中密状态粉砂开展一系列室内固结不排水三轴试验研究,通过试验研究不同细颗粒含量粉砂在不同围压条件下的应力-应变关系、孔隙水压力的涨消发展模型及初始剪切模量的发展规律,揭示细颗粒含量和围压对中密状态粉砂应力-应变关系、孔压演化特性及初始剪切模量的影响规律。结果表明:空间应力状态下的不同细颗粒含量中密粉砂的应力-应变关系曲线以硬化型为主,符合增长型双曲线模式,且随着围压的增加,应力-应变关系曲线呈现强硬化状态,随着细颗粒含量的增加,应力-应变关系曲线呈现弱硬化状态。孔隙水压力的变化表现为随剪切的发展先经过一段上升过程,达到峰值后又开始下降,且随着细颗粒含量的增加,围压的增大,孔压的峰值越高,孔压消散速度降低,剪切完成后的残余孔压越大。初始剪切模量与围压呈正相关,即随着围压的增大而增大。同时,运用ABAQUS有限元程序建立计算机模型模拟试验,进一步验证上述分析结果的真实性与可靠性。     

兰新高速铁路高寒区涵洞及涵路过渡段冻害原因分析

通过调查兰州至乌鲁木齐高速铁路浩门—大梁区间线路冻害情况,水文地质、工程地质及气象条件,分析涵洞及涵路过渡段冻害产生的原因,并提出冻害整治措施。研究结果表明:兰新高速铁路浩门—大梁区间位于深季节冻土区,冻害多发生于低路堤、浅路堑、零断面换填路基、涵洞及涵路过渡段,且涵洞和涵路过渡段冻胀量较大;发生冻害涵洞为下沉式小型涵;路基和涵路过渡段基床底层及以下部位多为细颗粒含量较多的B组粗颗粒填料,填料含水率约13. 4%～15. 0%,属于弱敏感～敏感性冻胀填料。可采取设置渗水盲沟、入冬前封堵涵洞出入口等措施防治冻胀。对于冻害严重的涵洞及涵路过渡段可在涵洞内壁铺设保温材料,涵路过渡段中设置纵向疏干排水孔、两侧设置保温护道。     

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。