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。     

高速铁路路基填料中细颗粒分布特征及其对冻胀的影响

采用X-CT、压汞、扫描电镜、核磁共振、冻胀试验等方法,研究不同细颗粒含量下严寒地区高速铁路路基粗颗粒填料的微观结构及冻胀特性,发现填料中细颗粒分布具有明显的簇团特征,水分主要存在于簇团结构中,冻胀率、簇团率、细颗粒含量之间呈显著的线性关系。试验结果表明:簇团率随着细颗粒含量的增加线性增大,当细颗粒含量在3%~15%时,簇团率增长最快;100μm以下的中小孔隙作为孔隙水的主要持水结构主要分布于簇团中;填料的冻胀率与簇团率呈线性关系,簇团率超过2%后冻胀率快速增大,当簇团率超过8%、对应的细颗粒含量超过15%时,冻胀率将超过1%。本文提出细颗粒簇团及其分布与持水特征,可以用于解释细颗粒在粗颗粒填料冻胀中的作用机理。     

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。     

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。     

基床表层级配碎石细颗粒冲洗技术研究

高速铁路路基基床翻浆病害的原因之一是基床表层级配碎石中细颗粒含量超标。为此提出了基床表层级配碎石细颗粒冲洗技术,并从理论上论证细颗粒冲洗技术的可行性。通过试验验证了细颗粒冲洗技术能显著降低基床表层级配碎石中粒径0.075 mm以下细颗粒的含量,且冲洗后试样的冻胀率明显变小。此外,通过试验进一步完善了细颗粒冲洗施工工艺,提高了我国运营高速铁路路基病害整治技术。     

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。     

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。     

考虑颗粒破碎效应的道砟大型直剪试验研究

研究目的:级配碎石被广泛应用于铁路工程,在列车循环荷载和应力集中作用下颗粒破碎在所难免,并导致路基不均匀沉降,而关于碎石高应力下的颗粒破碎特性及破碎对碎石强度影响的研究较少。本文利用大型直剪仪首先对三类初始级配的道砟开展高应力下的一维压缩试验,探究高应力水平下道砟颗粒破碎及级配演化规律,然后对不同破碎状态的道砟开展大型直接剪切试验,探究颗粒破碎程度及颗粒级配状态对碎石强度的影响。研究结论:(1)颗粒破碎量随着压缩次数和粗颗粒含量的增加而增加;(2)随着颗粒破碎的加剧,细颗粒含量增加,级配曲线抬升,颗粒破碎会使材料级配朝着分形的方向发展;(3)颗粒破碎会削弱颗粒之间的咬合作用,从而降低道砟材料的内摩擦角;(4)本研究结论可为相关工程实践和颗粒破碎问题的研究提供参考。     

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%。     

客运专线基床表层级配碎石冻胀影响因素的试验研究

通过室内冻胀试验,研究含水率、孔隙率和细粒含量对级配碎石冻胀的影响规律,并运用偏相关方法对影响因素与冻胀率之间进行相关性分析。研究结果表明:级配碎石的冻胀率随着含水率和细粒含量的增大而增大,而其冻胀率随着孔隙率的增大而逐渐减小;随着含水率、孔隙率和细粒含量的增大,试样的冻胀率的变化率均呈现减小的趋势;含水率为影响级配碎石冻胀的主导因素,并提出控制级配碎石的含水率<4%的指标,其冻胀量满足要求。含水率、孔隙率和细粒含量对级配碎石的冻胀影响均在0.01(双侧)水平上显著相关,在实际分析时,应综合考虑3种因素对其冻胀的影响。     

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...     

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。     

不同细粒含量高压密级配碎石力学特性研究

为了探讨细粒含量对级配碎石力学特性的影响,开展细粒含量分别为0％,5％,10％和20％的高压密级配碎石在不同含水状态下的固结不排水三轴试验.研究不同细粒含量级配碎石的应力应变和孔压特性,分析不同细粒含量级配碎石结构特征对强度的影响.研究结果表明:随着细粒含量增加,级配碎石的最大干密度、内摩擦角和峰值强度均呈现先增大后减小的变化规律,在细粒含量为10％左右时达到最大;细粒含量不同级配碎石的强度特性是由其结构特征决定的,细粒含量10％附近试样的土体结构为骨架密实型,最大干密度达2.37 g/cm3,强度特性明显优于其他细粒含量试样;含水率提高时,级配碎石强度变化取决于水的软化削弱和负孔压增强的综合作用.研究成果为高速铁路基床表层填料的选取提供了参考依据.     

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。     

石太客专路基冻胀融沉特性试验与冻害控制措施

为减少路基冻胀和融沉对石太客专的影响，对石太客专路基砂卵石地层冻胀融沉特性开展试验研究。试样取自石太客专路基，测定试样在不同干密度（1.91 g/cm3,2.05 g/cm3,2.15 g/cm3）条件下，饱水砂卵石在开放系统和封闭系统条件下的温度场、冻胀量和融沉量。试验结果表明，砂卵石土冻胀力、冻胀量和融沉量随干密度的增大而减小，冻胀融沉后的砂卵石试样不会回到初始状态；封闭系统中砂卵石试样冻结达到稳态的时间大于开放系统，干密度愈小，砂卵石试样冻结达到稳定的时间愈长。根据石太客专路基砂卵石地层冻胀和融沉特性，采取疏通排水、注盐、增加外保温层、路基注入高分子材料等预防措施，保障石太客专的安全运营。     

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。     

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。     

单向冻结条件下饱水砂卵石冻胀融沉特性试验研究

以北京典型饱水卵石7#地层为研究对象,利用恒温恒压冻胀融沉仪,研究不同干密度饱水砂卵石在开放系统和封闭系统条件下的冻胀率、融沉系数、冻胀力及水分迁移量。试验结果表明:①饱水砂卵石的冻胀率和融沉系数均小于1%,远小于黏土、粉土的冻胀率和融沉系数,且随干密度的增大而减小;②封闭系统砂卵石冻胀率(力)和融沉系数大于开放系统;③饱水砂卵石冻胀过程是排水过程,排水量占土颗粒质量比例不超过1%;④无论是开放系统还是封闭系统,砂卵石经冻胀融沉后,总有一定的变形残余量。研究成果为冻结法在北京深层地下空间应用提供理论依据和参考。     

兰新铁路路基冻结过程中水分迁移及冻胀规律试验研究

通过室内冻胀试验,研究兰新铁路路基冻结过程中水分迁移和冻胀规律。结果表明:冻结后,封闭系统下试样上部含水率增大,且随初始含水率增大而增大,压实度对其影响较小,而下部含水率减小,中部含水率基本不变;开放系统下试样上部和下部的含水率均增加较多,且随压实度的增大而减小,中部含水率增加最少,但随压实度的减小和初始含水率的增大而增大。封闭系统下,试样的冻胀率随初始含水率的增加和压实度的减小明显增加,开放系统下各试样均会发生特强冻胀。兰新铁路路基基本处于封闭系统,其起始冻胀含水率在塑限附近,冻结过程中约有6.3～53.6mm的冻胀量,且极易发生严重的春季融沉病害。单纯采用增大路基压实度的方法不能有效整治路基冻融病害,而采用疏干排水孔群放软式透水管方法,可有效地隔断水分迁移的通道,并使融化水排出路基本体外,能有效整治路基冻融病害。兰新铁路K411+326里程路基采用该措施后,路基的平均最大冻胀量从38mm降至仅有2mm左右。     

级配对粗颗粒硫酸盐渍土溶陷特性的影响

研究目的:随着高速铁路在盐渍土地区的不断发展,盐渍土的溶陷特性导致的高铁路基沉降问题越来越突出。为解决高速铁路在盐渍土地区由溶陷特性导致的路基沉降问题,本文将级配类型作为粗颗粒盐渍土溶陷特性的主要影响因素进行精细化分析,探究级配类型对粗颗粒硫酸盐渍土溶陷特性的影响。研究结论:(1)在硫酸钠含量相同的情况下,级配类型中粗颗粒的占比增大时,粗颗粒的骨架作用会抑制溶陷的发生,溶陷量会随之减小,在0.1%的低硫酸钠含量情况下抑制作用最明显,粗颗粒级配比细颗粒级配的溶陷系数减少了68.57%;(2)粗颗粒盐渍土的溶陷量随着硫酸钠含量的增加而增大,硫酸钠含量每增加1%,五种典型级配的溶陷系数平均增加0.01;(3)随着硫酸钠含量的增大,硫酸钠对粗颗粒盐渍土溶陷特性的影响程度减小;(4)本研究成果可为粗颗粒盐渍土地区高速铁路地基处置及路基设计提供依据和参考。