道砟层对多年冻土区铁路路基水热影响监测与分析

为分析道砟层对路基水热状况的影响,在青藏铁路北麓河试验段南侧布置监测断面,分别对天然场地、无道砟覆盖路基、有道砟覆盖路基下部一定范围地温、水分、热通量进行监测。结果表明:道砟大空隙、灰白色碎石覆盖层能有效阻止外部热量进入路基;有道砟覆盖路基比无道砟覆盖路基融化期短20d,5cm深度处有道砟覆盖路基比无道砟覆盖路基年平均温度低2.3℃,道砟层起到良好保温隔热作用;道砟覆盖层对水分有润湿和蒸发作用,有效减少大气降水入渗,保持路基水分相对稳定;夏季短期、高频次降雨有降低地表温度的作用,短期内对道砟层下水分和热量有明显影响,但降水几乎全部蒸发,未能在路基内形成水分累积,有道砟覆盖路基下部50cm深度处温度和含水量基本不受降雨影响。     

青藏铁路道砟层对冻土路基热状况影响分析

在青藏铁路北麓河试验段设置试验断面,对地温及热流量进行观测,研究青藏铁路道砟层对路基下伏冻土热状况的影响.研究分析表明:道砟层在暖季阻止外部热量进入下伏冻土,冷季阻止路基内部热量扩散,且道砟层在暖季保温效果明显,而在冷季其降温效果并不明显;相同深度处道砟层下土体的年平均温度比砂砾路面下土体的年平均温度约低2℃;道砟层对路基下伏冻土起降温效果主要是因为其在暖季屏蔽了大部分外界热量,促使道砟层下土体年总热量收支呈现负值,从而起到很好的降温效果.因此,铺设道砟层有利于冻土路基的热稳定性.     

多年冻土区风积沙与块石混合层对降雨的水热响应分析

结合青藏铁路风积沙填堵块石路基特征,利用降雨观测数据,采用数值模拟计算分析降雨条件下风积沙与块石混合层的水热响应特征。结果表明:在年平均气温较高区域,降雨能够抬升冻土上限和降低冻土温度。风沙填堵块石层后,总等效体积含水量在浅表层降低,在冻土上限附近即深度-3.0～-2.0 m处呈增加趋势。同时夏季液态水体积含量和冬季体积含冰量增大,风积沙块石层下部冻土存在水分累积。天然土层下部水分含量变化小,受降雨影响不大。风沙填堵块石层后其下部土层的水分累积,会引起冷暖季节的冻胀融沉,应加强防排水设计措施,防止因路基坡脚积水造成侧向入渗。     

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。     

降雨入渗下铁路路基含水率分布及影响分析

研究目的:为深入分析降雨入渗诱发铁路路基病害的内在机制,采用非饱和渗流数值计算理论,考虑基床填料回弹模量和累积塑性应变的含水率敏感性,建立二维有限元分析模型,研究不同降雨强度下路基降雨入渗深度、饱和区、含水率、回弹模量和累积塑性应变的变化及分布规律。研究结论:(1)降雨入渗条件下水分在基床表层内迁移,难以透入基床底层;(2)降雨入渗导致基床表层平均竖向回弹模量值降低,基床底层平均竖向回弹模量值影响较小;(3)当日降雨量增长到25 mm时,基床表层和基床底层交界面出现水分富集,易软化而引发基床局部塌陷、不均匀沉降和层间接触面剪切破坏等路基病害;(4)通过研究得出基床表层裂缝渗水区域和基床底层底部是路基排水及养护维修重点;(5)本文成果可为铁路路基防排水设计和养护维修决策提供参考。     

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。     

多年冻土区路基填筑短期内冻土温度场数值分析

采用有限元软件COMSOL建立冻土水热耦合计算模型,进行路基填筑短期内冻土温度场的变化规律研究,并提出路基覆盖范围冻结锋面下凹扭曲的计算方法。结果表明:路基填筑热效应使得路基中心下方冻结锋面发生下凹扭曲,在水分汇入充足情况下会引发水热侵蚀,产生路基热融沉降、路基开裂等病害;7月填筑会最大程度阻碍土体热量向大气中输出,路基覆盖范围冻结锋面下凹扭曲程度达到最大、冻土温度场恢复最慢,属于最不利工况;路基覆盖范围冻结锋面下凹扭曲程度随填料与地表温差、路基高度、路基宽度、填料体积热容的增大而增大,随填料导热系数的增大而减小,实际工程中应尽量选用体积热容小、初始温度低且导热系数大的填料;采用冻结锋面下凹扭曲计算方法可计算得到填筑完成后不同时刻不同工况下的冻结锋面下凹扭曲曲线。     

地铁双洞单线盾构隧道下穿引起既有铁路沉降实测研究

为揭示北京卵石土地区双洞单线隧道下穿施工期对既有铁路的沉降影响，基于某地铁下穿有砟铁路工程，以精密电子水准仪和自动化静力水准仪对铁路沉降开展现场实测，并对监测数据的时空规律进行挖掘分析，对左右线影响的空间叠加效应、地面沉降随盾构推进的时间台阶效应、道砟层和线路加固体系对沉降的隔离效应开展研究。结果表明，路基和轨道最大沉降发生在左右线隧道中心对应位置，隧道左线、右线先后下穿过程对铁路的沉降影响有明显叠加效应；路基和轨道沉降影响为突变型，可划分为左线刀盘切土及推进、左线盾尾离开、右线刀盘切土及推进、右线盾尾离开4个阶段，时程曲线台阶特征明显，施工期应密切关注；路基和轨道沉降影响在下穿施工期基本发展完成，该阶段沉降量占最终总沉降量88%以上，随后逐渐收敛；下穿施工引起既有铁路轨道沉降最大值为18.94 mm;引起既有铁路路基沉降最大值为24.24 mm,轨道沉降曲线较路基沉降曲线更为平缓，铁路道砟层和3-5-3扣轨起到有效隔离作用。     

GPR检测铁路路基双随机控制性建模研究

探地雷达是检测铁路路基的一种有效方法,正演仿真可以有效揭示其检测特征,但常规均质模型无法模拟出铁路路基中的大空隙率道砟层形态。为精确模拟道床中碎石道砟的形态及控制空隙率,提出双随机控制性建模方法,并对比常规均匀层状介质建模方法和焦柳线检测数据,分析在路基基本结构、道床基床部分混合和基床土侵入道床三种状态下的特征得到:该方法避免了道砟层介电常数的估算,层界面更加精确;该方法显示出大空隙率道砟层会导致层界面上下出现弱振幅的同相轴;基床土侵入道床区域会形成强反射并且下部界面同相轴呈凹形断裂。结果表明该建模方式能精确模拟探地雷达检测铁路路基特征,且优于常规均质建模方式。     

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。     

寒区铁路路基微型盾构置换方法及防冻胀效果

针对寒区铁路路基冻胀整治难题,以我国一寒区铁路路桥过渡段冻害整治工点为依托,介绍了一种可在运营条件下实施的路基微型盾构置换方法。基于数值计算软件建立了环境-路基-盾构置换层-地基的多层结构水热力耦合模型,采用数值计算方法分析路基内部水分场、温度场、冻胀变形场的影响机理及演化规律,验证了盾构置换层所起冷屏障层、水分阻滞层、零冻胀填料夹层等预期效应。综合现场测试和计算结果分析,论证了微型盾构置换方法用于路基冻害整治的有效性与实用性。     

严寒地区高速铁路路基稳定性长期监测研究

研究目的:为保证严寒地区高速铁路的安全运营,通过分析严寒地区高速铁路路基的特点确定监测指标,并结合哈大高铁路基开展相应的监测技术研究,建立路基稳定性长期监测系统,实现路基状态多参量一体化的自动采集、信号自动传输、数据自动分析处理。基于获取的三年监测数据,进行路基稳定性指标的初步分析。研究结论:(1)路基地温呈周期性波动,地温振幅随深度增加而减少。浅层存在季节冻结层,冷季时自地表向下单向冻结,暖季来临时双向融化;(2)不同深度处的水分出现了迁移和重分布;(3)在列车动荷载和冻融循环作用下,填土性质可能发生了变化,导致了冻胀和融沉压缩变形;(4)监测系统运行稳定,监测数据可充分反映路基的地温等指标的分布规律,从而为哈大高铁路基的病害整治和行车安全提供重要支撑。     

坡脚水热效应和渗流效应对路基冻融深度人为上限的影响试验研究

在冷热交变试验箱内构建冻土路基模型,进行室内冻融循环模拟试验,研究坡脚水热效应单独作用及热效应与渗流效应共同作用对冻土路基人为上限的影响。结果表明:坡脚水的热效应在季节性冻融活动层融化及冻结的初期对人为上限的影响较为明显,此后热效应的作用逐渐减弱,人为上限趋同于自然变化;在坡脚水热效应与渗流效应的共同作用下人为上限变化显著,较无坡脚水工况,路基中轴、路肩、坡脚处的人为上限极限深度分别有超过5%,8%,33%的增长;由于坡脚水的存在,路基坡脚处季节性冻融活动层的融化阶段提前,但开始冻结的时间变化不大。     

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。     

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。     

岛状多年冻土区高速铁路路基热状态及工程措施效果分析

为揭示岛状多年冻土区高速铁路路基热状态,提出合理有效的制冷结构,在新建哈尔滨至伊春高速铁路某车站试验段开展现场监测,获得岛状多年冻土的地温数据;基于实测地温数据,采用冻土水热耦合理论,对将在试验段实施的两侧双排普通热棒路基、两侧双排+中心单排全季热棒路基、两侧单排+基底横向通铺全季热棒路基3种制冷路基结构进行数值模拟,对比了3种制冷路基结构的地温分布特征及对下伏岛状多年冻土的降温效果。研究结果表明：铁力地区年均气温和降水呈增大趋势,天然场地岛状多年冻土地温在-0.3℃左右,属于高温极不稳定多年冻土。3种制冷路基结构中,两侧单排+基底横向通铺全季热棒对岛状多年冻土保护及降温效果最优,两侧双排普通热棒最差。普通热棒路基的多年冻土上限呈“两侧凸,中间凹”形态,抬升不明显;全季热棒路基的多年冻土上限呈“上凸缓斜平顶”形态,抬升显著。研究成果可对多年冻土区高速铁路路基建设和结构优化提供技术支撑。     

多年冻土区铁路运营初期路基工程状态研究

研究目的:由于温度和水分的介入以及运营条件的诱发,使运营期间冻土路基工程状态的研究变得更为复杂。通过对运营初期多年冻土路基工程状态的现场调查和监测,从路基变形、地温变化、水热环境三个方面研究运营初期多年冻土区路基的工程状态,提出路基裂缝病害的解决措施,为铁路安全运营和养护工作服务。研究结论:(1)多年冻土区路基工程在运营初期,路基变形总体呈衰减趋势,已经趋于稳定。(2)路基大多数断面多年冻土上限上升和上限形态趋于稳定,地基冷储量增加,多年冻土上限上升是在降低土体温度的基础上实现的。(3)路基工程状态变化首先是地温场的变化改变了发生变形的土层位置和厚度,同时地温场的不对称造成变形差异,诱发裂缝发生,水热环境的变化导致裂缝发展。(4)采用热学不对称的路基结构,能减缓上限形态的不对称性,从而减小路基横向差异变形,抑制路基工程裂缝的发生和发展。     

土工格栅加固铁路道砟的颗粒离散元模拟研究

研究目的:道砟是有砟轨道的关键构成,其变形累积将直接造成轨道的下沉破坏。随着列车运行速度的提高,道砟的变形对有砟轨道的行车安全性、舒适性和轨道养护维修工作量的影响也越来越大。因此,开展高速铁路道砟变形机理的研究具有重要意义。近年来,一些学者开始将土工格栅应用到铁路道砟的加固中,用以减小铁路道砟的沉降变形,但总体来说还不够成熟和完善。为进一步研究铁路道砟的变形机理及土工格栅加固铁路道砟的效果,本文以铁路道砟为研究对象,建立土工格栅加固铁路道砟的三维颗粒离散元模型,进行循环荷载作用下的数值试验,分别研究土工格栅不同安设位置、不同刚度以及不同网格尺寸对铁路道砟加固效果的影响。研究结论:(1)土工格栅加固铁路道砟效果明显,能够有效减小铁路道砟的沉降变形;(2)土工格栅安设位置不同,其加固效果也不同,当土工格栅距离模型箱底面100 mm时效果最好;(3)随着土工格栅刚度的增大,道砟的沉降变形逐渐减小,但当刚度增大到一定值后,对减小道砟沉降的作用有限;(4)土工格栅网格尺寸对铁路道砟加固效果有明显影响,但这种影响不是单调的,即存在一个合理的土工格栅网格尺寸使其加固铁路道砟的效果最好;(5)该研究成果对深入理解铁路道砟的沉降机理及土工格栅在铁路道砟加固中的应用均具有一定的参考意义。     

严寒地区客专路堤阴阳面地温及变形差异分析

基于对寒区哈(尔滨)齐(齐哈尔)铁路客运专线泰康试验段路堤的地温与变形监测资料分析,研究了严寒地区路堤阴阳面的地温和变形差异。测试和计算结果表明:(1)右侧(阴面)路肩和坡脚的最大冻深均大于左侧(阳面)相同位置;(2)地温大多数时间呈左高右低现象,同时阴、阳坡路基浅层相应深度处的温差不会随时间推移和埋深增大而完全消失,但阴、阳坡路基温差逐年减小并趋于恒定,且温差波动幅度随埋深逐渐减小;(3)基床表层阴、阳面各测点的冻胀起始时间一致,而阴面的融沉起始时间却比阳面晚一个月;当路堤浅层地温处于-2~0℃且冻结层上下同时发生融化时,路基冻胀显著,此时产生的冻胀量占总冻胀量的40%左右;(4)施工完成初期,路堤浅层和基底在阳面的累积沉降量较阴面大;距离坡脚越近,基底阴阳面沉降差异越明显,但该差异逐年减小。由此表明,即使有保温护道保护严寒地区冻土路基,经历多次冻融循环后,路基阴阳坡差异受外界气温影响仍然存在,但随时间推移逐渐趋于稳定。建议在严寒地区冻土路基的阳坡侧采取降低地温的措施,减小阴阳坡地温和变形差异,保持冻土路堤的整体稳定性。     

青藏铁路碎石护坡路基长期效果分析

采用碎石护坡路基是多年冻土地区主要的工程处理措施。本文依据2003—2011年青藏铁路楚玛尔河地区碎石护坡路基的地温及沉降数据,对其长期效果进行分析。结果表明:采用碎石护坡路基能有效冷却地基和保护多年冻土,路基下地温总体上呈现降低趋势,竣工后2年内冻土人为上限有明显抬升,2005年以后上限基本稳定,冻土路基逐渐呈现出热稳定状态;碎石护坡对于减少路基阴阳坡的地温差异有显著作用;碎石护坡路基填筑完成后,其前期沉降较大,后期逐渐减小,2007年以后每年的沉降量均在10 mm以内,路基呈现出长期稳定状态;碎石护坡施工对铁路运行影响小,故对于冻土铁路可采用碎石护坡措施进行路基补强。