季节冻土地区高速铁路路基设计

哈大和哈齐铁路是季节冻土地区高速铁路无砟轨道路基冻胀变形控制方面非常具有代表性的工程,本文通过对两个项目防冻胀设计措施、变形监测结果及相关研究成果的介绍,阐述了对路基防冻结构、防冻层厚度、防冻填料技术要求、路基冻胀变形发展规律等的认识:(1)混凝土基床是特殊条件下的路基防冻解决方案,一般应满足地下水位较高或常年积水且不具备降排水条件的低路堤地段;(2)季节冻土地区采用填料填筑的路基会发生冻胀变形,防冻层填料满足一定要求前提下,冻胀变形不会影响线路平顺性,可以保证高速铁路安全平稳运营;(3)冻胀变形小于4 mm的百分比随着时间的推移逐渐增加是东北地区各条高速铁路路基冻胀变形的共同特点,说明路基抗冻胀变形能力的稳定需要一定的时间;(4)反复出现的大的冻胀变形往往是填料细颗粒含量超标较多或者明显排水不畅的地段。施工期通过变形监测及时发现可能形成冻害的隐患并进行治理是非常重要的。     

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。     

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。     

寒区铁路路基防冻胀设计中冻深计算方法的探讨

在寒区修筑高速铁路,冻深是防冻胀设计的主要技术指标,目前我国《铁路特殊路基设计规范》中没有计算冻结深度的公式.本文分析了国内外冻结深度的计算方法,提出选择改进 Berggren 法作为铁路路基防冻胀设计的冻深公式,并对计算求解步骤和设计参数进行了探讨,对现场实测和有限元计算结果进行了比较,说明采用推荐方法较接近真实值.     

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。     

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。     

青藏铁路路基冻胀变形特点的研究

在青藏铁路路基230处断面中随机选取621组土样,并对土样组分进行分析。研究表明,在役青藏铁路多年冻土区和深季节冻土区内填土完全是由粗颗粒填料组成,一般情况下冻胀量很小;根据深季节冻土区基底填料与毛细水上升高度,部分深季节冻土区段路基会出现冻胀,为青藏铁路路基后续维护提供参考。     

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。     

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。     

季节性冻土区高速铁路路基冻深研究

针对季节性冻土区高速铁路路基冻胀的最大变形量应小于5mm的严格要求,开展季节性冻土区高速铁路路基冻深的研究。在综合分析国内外相关冻深求解方法的基础上,提出采用改进的Berggren法计算高速铁路路基设计冻深的公式。该公式考虑了路基的热力特性、气象条件以及地基条件,适用于特性各异的多层土路基。运用现场监测和基于比奥固结理论的有限元仿真分析方法及改进Berggren法,对某典型冻土区段高速铁路的路基冻胀及温度场和位移场进行测量、计算和分析,结果表明:路基冻深的发展历经较浅且小幅波动、向下快速发展且达到最大、逐渐减小和浅层小幅波动等阶段;路基冻胀变形主要发生在冻深的70%范围内;该典型冻土区段最大冻深的有限元仿真计算值为1.98m,改进的Berggren法计算值为1.94m,与实际监测值1.90m的计算误差分别仅为4.2%和2.4%,表明有限元仿真分析方法和改进的Berggren法均为确定路基冻深的有效手段。     

XPS保温板在高速铁路路基结构防冻胀措施中的应用

在严寒地区,引起高速铁路路基冻胀的因素主要为填料细颗粒含量、填料含水量及地温。为测试路基基床表层铺设XPS保温板的防冻胀效果,选取某客运专线DK115+373～DK115+603段为试验段,测试不同防冻胀措施(XPS保温板、基床表层毛细排水板)条件下路基温度场规律、含水量分布、防冻胀效果及冻胀变形特征。研究表明,路肩两侧冻结深度较路基中心大,受阳坡、阴坡影响也更为显著;路基横断面含水量分布随深度增加而增大,不同断面同一深度含水量变化不大; XPS保温板可有效阻止热量在路基垂直方向上的传导,从而减少路基最大冻深;且毛细排水板可防止基床表层水渗透至基床底层。     

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。     

季节性冻土地区高速铁路设计施工技术

研究目的:为了使我国高速铁路适应各种严寒环境的建设和运营,本文在介绍季节冻土分布及工程特性基础上,回顾了我国季节冻土区高速铁路的发展现状,总结归纳了季节冻土区高速铁路路基冻胀控制技术以及轨道结构工程、接触网和动车组融雪除冰等其他控制技术的研究成果,并对其未来发展进行了展望。研究结论:(1)应尽量避免季节性冻土对工程结构的影响,从高铁的平稳、安全、舒适、耐久性方面考虑,以桥代路是有效的措施;(2)对高铁全生命周期健康状态进行全面监控,结合高铁结构变形规律,开展相关研究,确保高铁安全、高速、健康运营;(3)大力研发非接触式无损监测技术,避免监测仪器对高铁主体结构的影响,使监测结果及时为设计优化与养护维修提供重要依据;(4)不断认识、探索、积累和完善季节性冻土区高速铁路建造技术,同时加强对冻害原因与对策措施的系统分析、冻害机制与维护技术研究,建立季节冻土区高铁养护维修技术标准,逐渐使我国高铁适应各种严寒环境的建设和运营;(5)本研究结果对我国季节性冻土地区高速铁路的设计和施工技术有一定的指导意义。     

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。     

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。     

寒区高速铁路路基混凝土基床试验研究

针对季节性冻土区高速铁路路基冻胀引起的线路平顺性问题,京沈(北京—沈阳)客运专线采用了混凝土基床结构设计,在基床范围内使用混凝土代替A,B组填料。通过监测路基混凝土基床的地温、冻结深度及分层变形发展情况,分析变形对高速铁路行车线路平顺性的影响。结果表明:混凝土基床路基最大变形在2. 5 mm以内,变形较小,符合高速铁路对线路平顺性的要求。     

季节冻土区铁路路基变形监测及冻害原因分析

根据京包铁路、包兰铁路路基在1月-6月期间的变形监测和路基土的级配试验,分析了季节冻土区铁路路基的冻胀变形情况及产生原因.分析结果表明,在内蒙古境内的季节冻土区铁路路基冻胀呈现整体性变形特点,但不同里程处的路基冻胀差异较大;在监测区段内,京包线路基最大冻胀率为5.2%,最小冻胀率为2.4%;包兰线路基最大冻胀率为4.2%,最小冻胀率为1.1%;路基的冻胀变形极不规则,严重破坏了路基的整体平顺度.京包线、包兰线路基填土的级配不良是引起路基冻害的首要原因;路基多年的冻害效果累积和基床土质不均导致冻胀变形不均匀发生.     

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。