高速铁路铺设CRTS Ⅲ型板式无砟轨道地段的路基冻胀限值

我国冻土地区高速铁路分布广泛,路基冻胀对高速铁路无砟轨道结构损伤影响较为突出,危害行车安全。但是目前尚未建立针对铺设CRTS Ⅲ型板式无砟轨道地段的路基冻胀控制限值。本文基于车辆-轨道耦合动力学理论和混凝土塑性损伤理论,考虑混凝土结构损伤和车轨相互作用,建立车辆-无砟轨道-冻胀路基静动力分析模型,分析路基冻胀对CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构的损伤和车辆动力性能指标的影响。综合静、动力控制指标,提出一种针对冻胀变形的分级控制限值;分别考虑轨道结构层间离缝和结构损伤、钢轨垂向动位移、乘车舒适性和行车安全性等多项控制指标,将路基冻胀限值划分为5个区域。研究结果表明:路基冻胀作用于轨道板中部时损伤和离缝量出现极值;结构损伤和车辆动力学响应均随波长减小和波峰增大而呈增大趋势,且均对波长的影响更为敏感。可以根据不同分区的冻胀限值保障车辆运营安全,为冻土区无砟轨道养护维修提供参考。

热能转化式路基冻胀控制效果现场试验研究

研究目的:为解决季节冻性土区铁路路基冻胀问题,提出一种新型热能转化式路基。通过专用地源热泵系统,收集路基附近地基稳定层的低位地温能,并转化为高位热能,然后传递至路基冻胀层,以实现对路基的主动供热和温度控制,根除冻胀。在准池铁路某冻胀区段,建设1段20 m长的热能转化式路基试验段,在2021—2022年冬季测试热泵供热温度、试验段路基和天然路基的温度场、冻结深度、轨道冻胀量等指标的变化情况。研究结论:(1)热泵供热温度峰值可达59.4℃,间歇运行时的日均供热温度达25.2℃以上,热源品位高,起到有利的热源作用;(2)天然路基冻结期持续141 d,试验段路基相比减小了20 d;试验段轨道中心、路肩及坡脚位置的最大冻结深度分别为88 cm、75 cm、58 cm,相比天然路基分别减少了60 cm、122 cm、78 cm,将冻结深度控制在有害临界值以内;(3)天然条件下轨道冻胀量峰值为9.4 mm,形成有害冻胀;而试验段轨道变形量小于±3 mm,未超出经常保养管理值;(4)热能转化式路基对于低路堤、路堑基床、岔区、涵顶等重要部位的顽固性冻胀病害是一种有效的防控手段。

冻土地区铁路路基主动供热防冻胀方法现场试验研究

路基冻胀是冻土地区铁路运营的顽疾,在防排水、土质改良和保温等措施难以消除冻胀的情况下,人工供热是一种备选方案。依托准池铁路K44+970—K45+020冻害路段,设计基于地源热泵的分布式供热方案,建设1个长度为20 m的现场试验段。在2021—2022年冬季开展1个冻融周期的供热试验,基于监测数据对热泵换热温度、路基温度场、冻结深度、轨道变形量等指标进行分析。研究结果表明:热泵的供热温度可达50℃以上,热源品位高且供热量稳定。供热试验段内路基冻结范围和温度极值比天然工况显著减小,线路中心处最大冻结深度由148 cm减小为88 cm,冻结锋面保持在地下水毛细迁移高度以上。试验段路基横向冻结深度差值由天然条件的49 cm减小为13 cm,有利于消除横向冻胀差异引起的水平不平顺。试验段纵向上的冻结深度差值基本控制在20 cm以内,可以避免次生高低不平顺。天然路基呈先发育深层冻胀、后在降雪融水入渗时发育浅层冻胀的规律,最大冻胀量达9.4 mm。试验段内路基未发育深层冻胀,且浅层冻胀量得到有效控制,轨道变形量控制在±3 mm以内,没有超出作业验收管理值,有效缓解了试验段冻害问题。

敦白高速铁路路基冻胀规律及冻害成因

随着有砟轨道高速铁路的相继开通运营,出现了一定程度的冻害问题,给高速铁路的养护维修工作带来了更大的挑战。本文结合敦白(敦化—白河)高速铁路所处区域气候环境、设计标准,针对其开通以来发生的路基冻胀问题,通过对动态、静态检测数据统计分析,总结路基冻胀规律,初步研究冻胀成因,提出防治对策。结果表明:敦白高速铁路全线路基冬季存在不同程度的冻胀问题,冻融循环期长达5个月,初步分析路基发生冻害的主要原因为线路所处地理位置气温低、入冬前降雨多导致基床含水率高、基床表层级配碎石水泥掺量低,导致表层冻害数量较多。建议采取强化疏排水、不良填料改性、填料强化置换等措施在夏季、秋季进行综合整治,以减少或消灭冬季冻害,降低冬季现场作业频次。

路基冻胀-融化-沉降组合作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道的变形损伤

对于我国季节性冻土区高速铁路路基病害,只考虑单一冻胀作用对无砟轨道结构的影响存在一定缺陷。针对这一问题,本文建立CRTSⅢ型板式无砟轨道精细化分析模型,研究了路基冻胀-融化-沉降组合作用下无砟轨道结构的损伤机理和变形规律。结果表明:相较于单一冻胀作用,路基冻胀-融化-沉降组合作用能更加准确反映路基从冻胀到融化过程中轨道结构的变形和损伤;在冻胀-融化-沉降过程中,钢轨、轨道板、底座板三者垂向位移幅值均呈现先增大再减小而后反向增大的趋势;在路基融化回落至4 mm时,底座板和自密实混凝土以及下部路基表层的层间离缝位置均呈现从冻胀波峰两端到冻胀波峰中部的迁移;轨道板损伤只发生在路基冻胀阶段,底座板损伤发生在路基冻胀和融化阶段。

路基冻胀作用下车辆的动力响应变化规律

路基冻胀作用下无砟轨道产生不平顺和损害失稳,导致运行车辆产生消极的动力响应,严重影响列车的平稳运行。基于路基冻胀数值分析模型研究路基冻胀作用下车辆动力响应的影响,研究结果表明:(1)轮轨最大垂向作用力随冻胀量的增大而指数增大,车体垂向振动加速度也逐渐增大,车体垂向稳定性指标由1.70指数增大至2.56;(2)随着冻胀波长增加,车辆轮轨的最大垂向作用力、车体垂向振动加速度和车体垂向稳定性指标均逐渐降低;(3)冻胀波数对轮轨垂向作用力不产生影响,车体垂向加速度先增加后保持不变,车体垂向稳定性指标随冻胀波数增加而指数关系增大。

高速铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道路基冻胀管理值

针对季节性冻土区高速铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道冻胀问题,建立路基冻胀仿真模型,研究路基冻胀对轨道结构脱空的影响,明确了不同冻胀波长下的冻胀最不利位置,计算分析了冻胀变化率对轨道结构脱空高度的影响;通过对脱空超过1 mm的路基冻胀进行限制,提出了不同冻胀波长下的路基冻胀控制值。结果表明:无砟轨道结构脱空高度随着路基冻胀位置变化而变化,且不同波长路基冻胀的最不利位置不同;底座板长度对轨道结构最不利冻胀位置无影响;冻胀波长L <5 m时,冻胀引起的幅值变化不应超过1 mm;5 m≤L <15 m时,轨道结构临界冻胀变化率为0.7‰,路基冻胀由临界冻胀变化率控制;L≥15 m时,临界冻胀变化率随冻胀波长增大而线性增大,增长率为0.125‰。

高铁路基冻胀机理及防治措施研究

以兰新高速铁路门源至浩门段为研究背景,结合当地的地理环境和气候条件,在介绍路基冻胀机理的基础上,对冻胀规律和冻胀特点进行分析,确定了路基冻胀的主要影响因素。从换填法、保温隔热防治法、注盐法三个方面提出了整体防治措施,并通过工程实例观测表明,此冻害防治措施在实际中得到了有效的应用,实现了路基的变形控制目标。

准池铁路人工供热路基的冻胀控制效果研究

为解决黄土高原既有铁路路基在冬季低温状态下反复冻胀的痼疾,以准池铁路K44+970~K45+020冻害路段为依托,开展了季节性冻土地区铁路路基人工供热防冻胀技术的现场应用研究。基于地源热泵技术,设计路基分布式供热系统,并对其施工步骤、运行控制方案进行了详细介绍。建立了温度和变形自动监测系统。在11月至4月采取人工供热方式防止路基冻胀,基于现场数据得到供热系统日换热温度、供热路基断面的地温、冻结深度、轨道冻胀变形量等随时间变化规律,分析供热性能与冻害整治效果。结果证明:供热系统在冬季严寒环境下的供热温度可达50℃以上;与天然断面相比,供热路基冻结深度和冻胀量显著减小,最大冻结深度由197 cm减小为88 cm,冻胀量从9.4 mm降低为±3 mm,有效抑制了冻害发育。

含盐砂土区铁路路基冻胀分析

为了探讨新建锡铁山至北霍布逊地区铁路路基的冻胀变形规律,为高含盐地区路基的设计和修筑提供参考依据,开展了高含盐砂土的室内冻胀试验,根据试验结果判定该类含盐砂土属于强冻胀土。继而结合现场监测数据,利用有限元数值模拟得出了路基为期一年的冻结深度变化规律,最后对冻结期和非冻结期的路基顶面竖向位移进行了对比分析,发现高含盐砂土在冻结过程中的2次相变点温度分别为-6.8℃和-15.2℃,路基冻结期为11月至次年3月,冻结期路基顶面中心抬升21.7 mm。

季节冻土区高速铁路路基冻胀监测系统及冻胀规律研究

季节冻土区修建高速铁路的主要问题是路基冻胀.依托我国东北、华北多个高速铁路路基冻胀监测工作实践,研究了一套冻胀监测系统的构建方法并成功应用于哈齐客专、大西客专、牡绥线等路基冻胀监测工作中.综合监测成果,对高速铁路路基冻胀规律进行了分析,对冻胀原因进行了总结.结果表明:冻胀监测系统应充分考虑严寒、低温、高速条件下,利用先进传感器及物联网技术来实现各子系统集成;季节冻土区铁路路基冻胀存在一定规律可循,季节冻土区铁路路基冻胀不可避免但是可控.填料质量是防冻胀控制的根本,施工质量过程管控是基础保障.

高速铁路路基填料冻胀试验研究

路基冻胀是季节冻土区修建高速铁路必须面对的关键性技术难题.国内外针对路基填料的冻胀机理和特性进行了很多研究,但很少涉及路基填料的渗透性问题.通过室内试验研究了细颗粒含量对路基填料含水量和冻胀率的影响,通过现场试验研究了路基填料的渗透性能,选取哈齐客专某试验段路基进行冻胀监测,验证了防冻层填料的导水特征及其防冻胀性能.结果表明:采用填料防冻的技术路线是可行的,通过合理控制填料组分、级配、细颗粒含量等设计参数,严格把控施工质量,路基填料能够满足高速铁路路基防冻胀要求.

基于动力分析的CRTSⅢ板式无砟轨道路基冻胀控制标准研究

哈大高速铁路的冬季运营经验表明,严寒地区高速铁路路基冻胀问题比较普遍。路基冻胀引起的轨道静、动态不平顺影响高速列车运行平稳性,有必要制定高速铁路路基冻胀控制标准。本文应用有限元方法建立车辆-轨道-路基冻胀分析模型,分析路基冻胀作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道变形规律及车辆-轨道结构的动力响应特征。计算结果表明:冻胀主要影响列车垂向动力学性能;随着冻胀量的增加,车辆运营平稳性明显下降,其中波长较短冻胀的影响更剧烈;当冻胀达到10m波长、15mm冻胀量时,底座板动态拉应力超出其抗拉强度。基于动力学分析结果绘制冻胀控制标准临界曲线,对路基不均匀冻胀进行划分。

路基冻胀对CRTSⅢ型板式轨道变形的影响研究

研究目的:严寒地区高速铁路路基冻胀变形时常出现,局部冻胀变形不仅影响无砟轨道的平顺性,还可能导致层间离缝发生。为此,本文建立CRTSⅢ型板式无砟轨道-路基系统有限元模型,以分析不同路基冻胀波长和路基冻胀幅值下轨道结构的变形特征。研究结论:(1)路基冻胀作用下轨道结构各层的上拱变形与路基冻胀波形基本一致,轨道结构各层的变形受路基冻胀位置影响较大;(2)轨道结构各层的变形、轨道结构层间离缝以及轨道结构各层的上拱波长均随路基冻胀幅值的增大而增大,且底座板与路基表层的离缝远大于自密实混凝土与底座板间的离缝;(3)随着冻胀波长的增加,轨道结构各层的位移、轨道结构层间离缝随之减小,但轨道结构各层的上拱波长逐渐增大;(4)冻胀波长增大对轨道结构变形和减小层间离缝有利,路基冻胀幅值限值应根据冻胀波长来确定;(5)本研究成果可为路基冻胀变形控制提供参考。

路基冻胀地区CRTSⅠ型板式无砟轨道结构变形与离缝特征分析

为揭示严寒地区高速铁路路基冻胀变形对无砟轨道平顺性的影响,建立CRTS Ⅰ型板式无砟轨道-路基空间耦合有限元模型,分析了不同路基冻胀条件下轨道结构的变形特征,探讨了层间离缝的发展演变过程,以及层间粘结强度和底座板刚度对离缝发展的影响规律.结果表明:路基冻胀位置对轨道结构变形影响较大,冻胀变形基本能反映到轨面,当冻胀作用在轨道板中间位置时,底座板与基床表层之间的离缝值最大;最大离缝值随冻胀量增加呈线性增长,随冻胀波长的增大而减小;离缝在轨道结构横向位置是从中间向两边逐渐扩展的;随着底座板与基床表层之间粘结强度的增大,层间离缝值和离缝长度逐渐减小;离缝值随着底座板刚度的减小而减小,当底座板刚度减小为原来的60%时,离缝值减小了近20%.

钢轨爬行及路基表层冻胀检测技术

针对我国现有轨道爬行及路基冻融引起的钢轨高低检测技术的不足,提出一种基于机器视觉及光学成像原理的钢轨爬行及路基表层冻胀的非接触式检测技术。根据检测技术原理建立光学模型,基于模板匹配、自动化阈值、图像形态学处理等图像处理方法,通过硬件系统实现对钢轨爬行及路基表层冻胀引起的钢轨高低位移的测量,并经由GPRS无线通讯技术将数据实时传输至WEB数据服务器,可以实现对检测数据的实时监控管理。在哈大高铁K186+600及K148+600两点安装设备进行验证性试验,试验结果表明,该技术可定点定时采集钢轨实时图像,自动检测钢轨相对"零点"时刻的爬行数据及路基表层冻胀数据,并在爬行或路基表层冻胀数据超限时自动报警,指导铁路养护作业。

季节性冻土区高速铁路路基冻胀的井点降水整治数值分析

针对地下水较为发育的季节性冻土区高速铁路路堑地段易发生路基冻胀的情况,采用数值模拟方法,运用SEEP/W软件,进行路基冻胀的井点降水整治研究。结果表明：抽水量为1.5m^3·h^-1的小型水泵在埋深为5～7m的条件下,连续工作约1.3～1.4h可将其周围的水位降至泵底;井点降水整治中,水泵埋深取为6.7m较为合理;取水泵合理的埋深为6.7m时,为在入冬前将路堑中的地下水位降低到3.8m,需抽水25d;入冬后为确保水位在最大冻深3.0m以下,并同时考虑到节能,可采取间隔抽水方式,而暂停抽水后路堑中心地下水位从3.8m回升到3m需要7.5d（水泵最大间歇时间）,然后启动水泵再次将水位从3.0m降至3.8m的抽水时间需要6d。依据数值分析结果在试验段采用井点降水整治后,路基的最大冻胀量从2013年的11.6mm降至2014年的4.5mm,路基的冻胀整治效果较为显著,表明根据数值分析结果制定的井点降水整治方案是合理的。

高寒地区高速铁路路基冻胀远程监测

为准确监测高寒地区高速铁路路基冻胀情况,设计基于棱镜反射原理的高速铁路路基冻胀远程监测系统。考虑到现场环境光线变化对系统检测精度的影响,提出位移敏感元件(PSD)背景光补偿算法,对比试验表明补偿算法能够提高系统的测量精度,强背景光下效果尤其明显。针对环境温度变化对系统检测精度的影响,对系统机构进行优化设计,温度特性试验表明系统处于高寒环境下时对测量精度的影响非常微小。整个系统在哈齐高速铁路进行了为期3个月的冬季现场监测,系统运行稳定可靠,测量点路基冻胀值最大约为2mm。

高速铁路路基不均匀冻胀变形对轮轨系统的动力影响研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论和有限元方法,开展高速铁路无砟轨道路基不均匀冻胀变形对高速轮轨系统的动力学影响研究,分析不同程度的路基不均匀冻胀变形对高速车辆-轨道耦合系统振动响应的影响规律。研究结果表明:路基的不均匀冻胀变形会加剧轮轨动态相互作用,对行车安全性和乘车舒适性产生不良影响,同时易引起较强的轨道结构振动,进而影响轨道结构的长期服役性能;随着路基不均匀冻胀变形波长的减小和冻胀变形幅值的增大,高速车辆-轨道耦合系统的垂向振动动力学指标均出现增大趋势,研究发现应重点关注波长20 m以内的路基不均匀冻胀变形及其幅值的增大;对于路基不均匀冻胀变形较严重地段,可通过适当降低车辆的运行速度,以有效降低轮轨系统的动态相互作用,从而减小路基不均匀冻胀变形对高速行车安全性的影响,但是,限速措施对于改善高速乘车舒适性的效果并不明显。

季节性冻土区路基土的冻胀特性分析

在季节性冻土区的路基工程中,冻胀、融沉和翻浆都会对道路产生较严重的破坏。根据2000—2002年间对吉林省长余高速公路路基冻胀观测所获得的资料,分别分析了温度、水分、土质、路基类型等因素对路基冻胀的影响。