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。     

季节冻土区铁路路基冻胀研究进展

研究目的:冻胀问题是深季节冻土区高速铁路路基面变形控制难点之一。高速铁路对路基变形要求极高,特别是无砟轨道,冻胀变形更增加了其控制难度。鉴于加深高速铁路路基冻胀研究的必要性和紧迫性,本文系统总结近年来季节冻土区铁路路基冻胀的研究进展。研究结论:(1)季节冻土区铁路路基的防冻胀设计方法:德国、法国、日本等国都是通过冻结指数确定冻结深度,在冻结深度范围内填筑非冻胀填料,我国的不同之处在于采用标准冻深计算设计冻深;(2)季节性冻土冻胀形成机理包括水分迁移和成冰作用,冻胀发生三要素是:负温、细粒土和水,控制冻胀的措施主要为三类:保温、改良填料和改良水分,并分别总结介绍其研究成果及进展;(3)展望了未来的研究方向:加强现场监测和仿真分析;(4)本研究结论可为进一步研究高速铁路路基冻胀提供参考。     

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。     

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。     

深季节冻土区哈齐客专路基现场试验

鉴于哈尔滨—齐齐哈尔(哈齐)客专路基工后沉降不大于15 mm的要求,开展了路基现场试验。对路基中的温度、沉降变形、路基冻胀变形及路基本体的含水量变化情况进行监测。结果表明:线路所处地区,11月中旬开始冻结,来年1月下旬地表附近地温过程线开始上抬;冻结层直到4月中旬才全部处于正温,最大冻深约为2.4 m。经过现场监测,处于深季节冻土区的高铁路基在经历冻融循环后的沉降变形为20 mm左右。路基表面的最大冻胀量发生在地表温度处于-1~-2℃之间,在此地温值下,路基冻结层范围内易发生水分积聚现象,路堤冻胀较敏感,所以路基填料应严格保持为最优含水量,做好基床表层的防排水措施,避免路基病害的发生。     

川南城际高速铁路路基变形监测设计探讨

在高速铁路的建设及运营管理过程中,路基的安全保障及健康状态的监测非常值得关注。路基变形对高速铁路的行车安全影响大,常规的监测模式不能满足高速铁路运营安全的要求。本文针对川南地区特定的水文地质条件和铁路路基周边复杂的建设影响因素,在铁路设计阶段,对路基变形监测进行了系统地设计,重点探讨了采空区、弱膨胀性红层泥岩区、受既有铁路交叉影响地段等高速铁路路基安全监控系统的设计,可为类似工程建设提供技术参考。     

路基冻胀对CRTSⅢ型板式轨道变形的影响研究

研究目的:严寒地区高速铁路路基冻胀变形时常出现,局部冻胀变形不仅影响无砟轨道的平顺性,还可能导致层间离缝发生。为此,本文建立CRTSⅢ型板式无砟轨道-路基系统有限元模型,以分析不同路基冻胀波长和路基冻胀幅值下轨道结构的变形特征。研究结论:(1)路基冻胀作用下轨道结构各层的上拱变形与路基冻胀波形基本一致,轨道结构各层的变形受路基冻胀位置影响较大;(2)轨道结构各层的变形、轨道结构层间离缝以及轨道结构各层的上拱波长均随路基冻胀幅值的增大而增大,且底座板与路基表层的离缝远大于自密实混凝土与底座板间的离缝;(3)随着冻胀波长的增加,轨道结构各层的位移、轨道结构层间离缝随之减小,但轨道结构各层的上拱波长逐渐增大;(4)冻胀波长增大对轨道结构变形和减小层间离缝有利,路基冻胀幅值限值应根据冻胀波长来确定;(5)本研究成果可为路基冻胀变形控制提供参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

哈大高速铁路路基冻胀自动观测和深化分析研究

哈大高速铁路通车后,路基冻胀变形控制是其一项重要任务,为查明路基冻胀机理,探索适用的冻胀处理措施,对路基冻胀进行自动观测和深化分析研究。采用自动观测系统,对路肩以下5 m范围内路基的地温、水分、冻胀变形等进行观测,对观测结果进行统计分析和深化研究,研究结果表明:路基冻胀可分为5个阶段,冻深介于100~300 cm,基本上随着纬度的增大而增大;基床表层冻胀量占总冻胀量的40%~94%;融沉变形稳定后,存在4mm以内的残余变形;路堤与路堑的冻胀发展过程极为接近,但路堤的冻深一般大于路堑,路堤的冻胀量一般略大于路堑。     

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。     

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。     

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。     

吉珲客运专线路基冻胀变形及影响因素分析

随着我国在严寒地区高速铁路的发展,路基冻胀变形对高速铁路的影响凸显出来,针对路基冻胀变形规律及影响因素的研究尚不完善,根据吉珲客运专线路基冻胀变形监测数据,采用综合分析方法分析了本线路基冻胀变形的一些规律,并对冻胀变形影响因素进行分析。通过分析得出吉珲客运专线路基冻胀变形规律及基床表层变形所占比例的不同与产生原因的对应关系。     

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。     

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%。     

季节性冻土地区路基冻结深度试验研究

在季节性冻土地区修建无砟轨道铁路,路基冻胀变形控制是突出技术难题。通过对填筑粗颗粒填料的路基、天然地基与保温路基的温度及变形测试,确定不同土质冻结指数与冻结深度的关系,证明设置保温层可以降低冻结深度,是路基冻胀变形控制的一种有效措施。