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。     

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。     

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。     

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。     

青藏铁路旱桥冻胀力的弹塑性分析

假设土体在冻结前已固结完毕,冻结过程中土体为具有弹塑性本构特征的各向同性体,土中的水分迁移符合达西定律,且土颗粒不可压缩。在给出冻土温度场、水分场基本方程及冻土弹塑性本构方程后,应用弹塑性有限元法,模拟旱桥施工过程。依次求出旱桥在围岩自重作用下的初始应力场、当前应力水平下围岩的温度场和体积膨胀引起的等效节点荷载,再求出上述荷载增量对应的应力增量和当前的围岩应力场,重复上述计算步骤直到规定年限。本文对青藏铁路旱桥单桩冻胀过程中在未来20年的应力场进行模拟计算,结果表明旱桥仅在靠近桥桩底部产生塑性应变,且塑性应变区很小,该旱桥是安全的。另外,本文提供分析寒区旱桥冻胀的理论与数值计算方法,可为类似工程设计提供参考。     

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。     

非饱和土体水平冻结过程中的水热耦合作用机制研究

土体在冻结过程中伴随热量传递、冰水相变、水分迁移等演化过程，其水热耦合作用机制非常复杂。为此，在进行演化方程组解耦、冻结锋面精细化处理的同时，采用土体冻结特征曲线改进未冻含水量计算，引入总含水量优化冰组分生成，提出一种新的水平冻结水热耦合理论计算模型。基于隐式有限差分方法对该模型进行数值求解，结合试验结果验证其有效性。最后，以张掖壤土为研究对象，分析非饱和土体的水热耦合演化规律。研究表明，土体在冻结过程中，未冻区的水分会向冻结区迁移，在锋面位置处发生水分积聚；在孔隙率相同的情况下，土体的初始含水量越高，其温度下降速度越快，冻结区含水量的增加也更为显著。土体的冷源温度越高，冻结锋面的发展速度越慢，从而使得水分迁移时间更为充分，对应的冻结区平均含水量越高，水分积聚现象也越突出。冰阻抗在冻结锋面附近影响土体中的水分迁移，使其含水量及热扩散系数下降，从而影响温度场的演化。     

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.     

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。     

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。     

孔隙水含盐量对上海饱和软黏土冻融特性的影响

在河口三角洲地区使用人工地层冻结法修建过江、过海隧道工程时,高含盐量的地层冻结效果不同于以往淡水冻结.以上海市沿江地区软黏土的冻结施工为背景,对不同孔隙水含盐量的重塑软黏土进行单向冻融试验、冻结单轴抗压试验,得到不同孔隙水含盐量下软黏土的热力学特性、冻胀特性、融沉特性,冻结土的强度特性、抵抗变形特性.研究结果表明:孔隙水中的盐分能降低冻结软黏土的抗压强度、弹性模量,给工程带来不利影响;能降低土体的冻胀率、融沉系数,带来有利影响;对传热特性、融沉时间的影响不显著.冻结可以致使孔隙水中的水分子迁移,而对孔隙水中的盐分没有明显的效果.     

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。     

水泥土渗透性及强度与冻胀性关系研究

为了揭示土中掺入水泥对冻胀特性的影响,本文对南京地区典型黏土和砂土掺入不同比例的水泥进行冻胀试验、变水头渗透试验和直接剪切试验.试验结果表明:水泥的掺入改变了土的力学性能,两种土质水泥土渗透系数均随水泥掺量的增加明显减小,内摩擦角和黏聚力均随水泥掺量增大而增大;冻胀率均随渗透系数减小而减小,随水泥土黏聚力和内摩擦角增大而减小;水泥的掺入可堵塞水分迁移的通道,从内部减弱水分迁移的动力,而且掺入水泥后改变了土体级配,增大土体强度,使土颗粒间结合力和抵抗土颗粒骨架变形能力增强,从而使最终冻胀率减小.     

水泥土渗透性及强度与冻胀性关系研究北大核心

为了揭示土中掺入水泥对冻胀特性的影响,本文对南京地区典型黏土和砂土掺入不同比例的水泥进行冻胀试验、变水头渗透试验和直接剪切试验。试验结果表明:水泥的掺入改变了土的力学性能,两种土质水泥土渗透系数均随水泥掺量的增加明显减小,内摩擦角和黏聚力均随水泥掺量增大而增大;冻胀率均随渗透系数减小而减小,随水泥土黏聚力和内摩擦角增大而减小;水泥的掺入可堵塞水分迁移的通道,从内部减弱水分迁移的动力,而且掺入水泥后改变了土体级配,增大土体强度,使土颗粒间结合力和抵抗土颗粒骨架变形能力增强,从而使最终冻胀率减小。     

无机结合料稳定土层防治道路冻害的试验研究

为了防治辽西道路冻害,保障交通的正常运输,延长道路的使用年限,在分析辽西地区水文、地质的基础上,对不同水泥、石灰含量的水泥煤渣稳定土和石灰粉煤灰稳定土冻结特性进行试验研究。试验结果表明,水泥、石灰无机结合料的加入导致土体自上而下的冻结温度梯度减小、土体黏聚力增大,而由冻结作用产生的冻胀、水分迁移能力减弱,冻害发生的概率也相应地降低。综合其他因素,从防治道路冻害的角度来看,水泥质量含量的最优值为6%;石灰质量含量的最优值为14%。     

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。     

青藏铁路西格段环青海湖季节性冻土区铁路路基冻害成因分析

青藏铁路西格段环青海湖路基的季节性冻胀和融沉,直接影响列车行驶的舒适度,严重时甚至会危及行车安全。以环青海湖段路基冻害为背景,通过选取典型冻害断面,进行原位挖探试验及室内试验,从土质、水分和温度三个方面分析了环湖段路基冻害成因和冻害机理。结果表明:环湖段路基冻害的主要原因是基床表层无良好的隔水层和排水设施,降雨入渗导致路基土体中的粉质黏土层含水率较大,当温度低于冻结温度时,土中水冻结,引起路基冻胀。     

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。     

改良粗颗粒填料在寒区高速铁路路基中的应用研究

高速铁路路基填料选用传统意义上平均冻胀率η≤1%且级配良好的非冻胀填料,目前高速铁路路基在寒季产生的实际冻胀量已超过规范规定15 mm的要求。针对寒区高速铁路路基冻胀问题,从填料改良方面开展研究,针对路基产生冻胀的主要位置,选取级配碎石为对象,以水泥、石灰、粉煤灰作为掺和料进行改良。通过室内试验,分析加入无机材料后填料渗透性和冻胀性的变化,对比加入3种掺和料的填料冻胀率,选取一种改良效果最为理想的材料,作为寒区高速铁路路基改良材料。研究结果表明:水泥、石灰以及粉煤灰的加入大幅度减少了水分从路基表面向基床内部的渗透,其中粉煤灰吸水能力较强,因此产生了较大的冻胀量,不适宜作为改良材料;水泥改良填料冻结时水分迁移量减少,冻胀量最小,说明相对石灰和粉煤灰,水泥最适合加入到级配碎石中,减小路基冻胀量。     

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。