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。

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。

冻融循环下含砂粉土冻胀率和融沉系数的试验研究

以青藏高原东部共(和)—玉(树)高速公路玛多段地基的含砂粉土为研究对象,对含砂粉土在多因素(含水率、压实度、荷载)作用下的冻胀率及融沉系数的变化特征展开研究。在封闭系统条件下开展了三向冻融试验,总结了土样冻胀率及融沉系数的变化规律;结合麦夸特法及全局优化法进行了优化计算,建立了预测稳定冻胀率和稳定融沉系数的计算模型。研究结果表明:冻胀率和融沉系数随荷载的增加、压实度的降低、含水量的增加而增加,随冻融次数的增加先增大后减小最后趋于稳定;建立的稳定冻胀率和稳定融沉系数预测模型有较好的拟合效果,因此可用此模型对含砂粉土的稳定冻胀率和稳定融沉系数开展预报。

螺旋桩冻拔特性的模型试验研究

寒季,季冻区光伏支架基础受地基土不均匀冻胀的影响,引起系统发电效率降低,甚至导致上部结构的整体破坏。因此,工程中常应用螺旋桩来抑制这种病害。通过进行单向冻结条件下的模型试验,考察多种螺旋桩及光滑桩的冻拔特性,总结温度分布、冻拔位移和轴向上拔力的变化规律。结果表明：（1）确定平均冻拔率ηj为表征抗冻拔能力的合理指标,其中半螺旋大叶片桩具有最小平均冻拔率（1.03%）,全螺旋桩的平均冻拔率最高;（2）冻拔位移与冻深之间存在线性关系,螺旋叶片的布设影响冻拔发展;（3）限定桩竖向位移条件下,轴向上拔力与冻深之间存在指数关系。因此,研究成果可为季冻区轻荷载工程基础的抗冻拔措施提供参考。

冻融循环对含砂粉土力学性质的影响

为了探究多年冻土区地表层的土体在冻融循环过程中力学性质的变化,通过对不同环境冷却温度、压实度、冻融循环次数、含水率和围压下的含砂粉土试样进行室内不固结不排水三轴试验,研究冻融循环后土体应力-应变关系曲线、破坏强度、弹性模量、抗剪强度参数的变化规律,然后借助正交试验的显著性分析理论,研究以上因素以及各因素间交互作用对破坏强度和弹性模量的影响程度.结果表明:含砂粉土的破坏强度和弹性模量随冻融循环次数增加,在围压300 k Pa或冷却温度-5℃的情况下呈先增加后减小最后稳定的趋势,且在冻融循环3次后达到最大值;随冻融循环次数的增加,内摩擦角在冷却温度为-5℃的情况下逐渐减小并趋于稳定,在冷却温度为-10℃和-15℃的情况下先增加后减小最后趋于稳定;围压、含水率、压实度、冻融循环次数对破坏强度和弹性模量影响显著,冷却温度的影响较弱,压实度和含水率、冻融循环次数和围压的交互作用对破坏强度影响显著.综上分析得出,在研究冻融循环对土体力学性质的影响时应综合考虑各因素及其之间的交互作用.

不同因素对排水沟渠水平冻胀力的影响

多年冻土地区的排水沟渠经常遭受水平冻胀力的破坏,严重影响构筑物的服役性能。根据青藏高原多年冻土区路基坡脚U型槽排水沟渠的现场试验,并通过数值计算与理论分析,分析了结构埋深、粗颗粒换填范围以及结构形式对其温度场和水平冻胀力的影响。结果表明:改变工况,对土体温度场分布的形状影响较小,仅对其大小有一定影响。不同工况下水平冻胀力均沿深度非均匀分布,最大水平冻胀力主要出现在结构中部,而其上部和下部较小,结构侧壁在1/2至1/3处易发生冻胀破坏。梯形结构所受的水平冻胀力较U型结构增大13%~15%左右,但其分布形式基本相同。因此,U型结构在降低水平冻胀力方面优于梯形结构。随着换填范围增大,排水沟渠的水平冻胀力最大值逐渐减小;对于埋深1.7 m的排水沟渠来说,其侧边的0~2.8 m是影响水平冻胀力的主要换填宽度范围,而当换填宽度超过2.8 m后,水平冻胀力几乎不再降低。

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。

细粒土空间不均匀分布对水分迁移的影响

为了研究冻土地区高速公路路基粗粒土填料中细粒土空间不均匀分布引起的水分迁移易规律,测量常温和冻融循环条件下具有细粒土空间不均匀分布特点试样的水分迁移量,对比分析细粒土空间不均匀分布、粒径空间分布差异和温度对水分迁移量的影响,研究试样初始状态参数对细粒土空间不均匀分布和粒径空间分布差异的影响,建模预测水分迁移极限情况。研究结果表明:在冻融循环和常温情况下,细粒土分布越不均匀,试样上层与下层含水率的差值越大,即水分由试样下层向上层迁移越明显;2种温度条件下,试样水分迁移程度都随着细粒土空间不均匀分布程度和粒径空间不均匀分布程度增大而增大;当粒组平均直径差异引起的粒径空间不均匀分布程度大于78.33%时,水分迁移程度迅速增长;细粒土空间不均匀分布和粒径空间分布差异增加主要是由细颗粒质量分数增加和最大粒组的平均粒径减小引起的,初始孔隙比的影响排在第3位;温度一定时,水分迁移程度与细粒土空间不均匀分布参数有二次函数关系。水分迁移主要发生在常温放置条件下的第1天内或第1次冻融循环的融化阶段;冻融循环条件下具有不均匀分布特点试样的水分迁移程度明显高于常温条件下试样的水分迁移程度;冻融循环条件下细粒土空间不均匀分布试样下层迁移至上层中最大含水量约为38%。

高温冻土区XPS保温板路基的冻土上限计算模型（英文）

为揭示青藏高原东部高温冻土区高速公路XPS保温板路基的人为冻土上限退化规律,确保高温冻土区路基的长期热稳定性,减小因人为冻土上限退化引起的路基病害,首先,利用现场地温实测资料分析高温冻土区XPS保温板路基地温的纵、横向分布特征,以及路基修筑初期人为冻土上限的退化特征;然后,采用非饱和土渗流与热传导理论求解冻土水热耦合微分方程,实现冻土水分场与温度场的全耦合,进而将水热耦合模型模拟所得温度场与现场实测温度场进行比较,以验证该模型的正确性;并分析XPS保温板路基在5种工况(包括填料类型、年平均地温、路基高度、XPS保温板铺设位置和气候变暖)下人为冻土上限的退化规律;最后,采用MATLAB分析影响人为冻土上限退化主要因素,进而对其进行多元线性回归,建立高温冻土区XPS保温板路基人为冻土上限计算模型。研究结果表明:XPS保温板路基左侧一定范围内温度比右侧对应范围的温度高;路基修筑初期人为冻土上限先抬升60cm,然后以10cm/年下降,冻土上限的变化导致深部冻土层存在一定幅度的升温;5种工况条件下,路基人为冻土上限与时间均呈线性增加关系;影响人为冻土上限退化的2个主要影响因素为填料类型和气候变暖;该模型可为今后开展高温冻土区高速公路XPS保温板路基长期变形预测与病害防治提供技术参考。

高温冻土区高速公路特殊结构路基地温分布特征及降温效果分析

根据青海省共(和)玉(树)高速公路特殊结构路基的地温监测资料,对3种路基(XPS保温板路基,碎石路基和通风管路基)填土与地基土的地温变化情况及冻土人为上限变化与天然上限附近热流密度状况以及路基温度场的非对称性进行对比分析,研究3种路基的地温分布特征及降温效果。测试结果表明:(1)3种路基在左、右路肩的不同深度处均呈现出明显的升温趋势,观测期内,XPS板路基升温幅度最大;碎石路基次之,通风管路基最小;(2)路基修筑完成初期,3种路基的多年冻土人为上限均存在不同程度抬升;到第3年,3种路基下多年冻土人为上限均下降;(3)3种路基的冻土上限附近热量收支均呈吸热状态,吸热量大小顺序为XPS板路基>碎石路基>通风管路基;(4)3种路基内部温度均呈左高右低的不对称分布。综上研究结果,建议在今后高温冻土区的高速公路建设中优先采用通风管路基。同时,为减小地温不均匀分布造成的路基纵向裂缝等病害,路基的横断面应采取差异化设计的原则。

单向冻结条件下模拟螺旋桩的冻拔响应（英文）

季节性冻土区活动层土体在寒季的冻结会引起与冻胀相关的工程病害,如埋设在冻土中的地基会随冻胀的发展发生冻拔等。针对该问题,寒区工程一般选用螺旋桩来减轻影响。采用COMSOL Multiphysics软件建立有限元模型,模拟单向冻结条件下螺旋桩-地基土系统的响应。考虑水分、温度、应力3种物理场的顺序耦合,即自定义水分-温度耦合计算模块,在理查德方程中考虑冰水相变、冰对水分迁移的阻抗作用等,得到某时刻的全局体积含冰量分布,根据半经验模型建立冻胀量与体积含冰量、温度之间的关系,用以计算应力场中冻胀、冻拔变形,得到应力与位移分布,最终实现水分、温度、应力3个物理场的顺序耦合。根据几何对称性,建立二维轴对称计算模型。比选了3类螺旋桩(多叶片螺旋桩、宽叶片双螺旋桩、窄叶片双螺旋桩),并设置1组直线形桩作对照。计算结果表明:边界温度设为-15℃,经过7d冻结,土体冻深超过了桩的埋设深度,3种螺旋桩的冻拔位移小于直线形桩,证明了其减轻冻拔的作用;此时,螺旋桩底层叶片将承担最多的应力,桩身可以传递更多的冷量到下部土层,促使桩周土体冻结;通过对比不同桩形,总结出叶片布设的主要几何参数,即螺距、叶片宽度与数量及顶层叶片位置等对螺旋桩-地基土系统的冻拔响应会产生较大影响,并初步探索了寒区工程中一种基础的抗冻拔措施。

国道214线多年冻土地区特殊路基结构温度场特性分析

近年来,我国在多年冻土区正在修建大量高速公路,高速公路具有行车速度快、通行能力大、物资周转快和经济效益好等特点,但同时也对其路基的冻胀变形控制提出更高的要求。而路基土体温度的变化是影响路基冻胀变形的主要因素。因此,论文结合国内修筑在多年冻土区的G214线为实例,选择3种不同型式的路基结构,进行现场地温监测。通过对实测数据分析,总结出了不同路基结构型式的地温变化规律,为今后多年冻土区构筑物的设计与施工提供充足的技术支持。此外,通过对比3种路基结构的地温变化特征,得出了防止路基冻胀变形的合理路基结构型式。