多年冻土路基水-热-力耦合理论模型及数值模拟

在建立多年冻土地区路基非稳态温度场控制方程、水分迁移的有限元控制方程和路基变形场及应力场计算模型的基础上，提出水-热-力耦合模型。以青藏公路唐南段K3393＋950的冻土路基为计算对象，得出了1月份路基温度场、水分场及应力场（变形场）的分布规律：路基温度场内部存在着未冻土核；水分场在温度梯度的作用下有向冻结冰锋线迁移的趋势；在负温条件下，土体的体积含冰量超过临界值时，将产生冻胀现象。研究结果表明，多年冻土地区路基的温度场、水分场及应力场一直处于动态变化中，路基的热状况、水分状况与变化规律及由此引起的应力重分布是引起道路冻害的主要因素。     

重复列车荷载作用下多年冻土路基长期变形分析

在青藏铁路北麓河段选取素填土路基断面开展列车通过实时振动测试,得到车载作用下路基路肩处的加速度时程曲线,并将该动力荷载转化为作用在路基表面的等效均布荷载.基于冻土三轴流变实验结果,对典型的青藏铁路多年冻土路基进行了重复列车荷载作用下的蠕变分析,得到了机车荷载作用下冻土路基所产生的长期变形量,量化了该部分变形在路基总变形中所占比例.研究结果表明,机车荷载作用下路基两侧坡脚产生较大的剪应变,并且逐渐向上扩展,垂直方向变形占总变形量的10%左右.     

牙林铁路育林段冻土路基病害整治探讨

结合牙林铁路育林段路基冻害,分析高纬度区多年冻土水文地质特征、年冻土类型、冻土物理力学参数及多年冻土的冻胀性、融沉性。提出多年冻土路基病害原因及整治方案。     

青藏高速公路宽幅路基温度场模拟分析

运用ABAQUS及其二次开发平台,建立了多年冻土地区路基温度场有限元分析模型.运用该模型对低等级公路窄幅路基和高等级公路宽幅路基温度场进行对比分析,对宽幅路基融深变化规律进行了研究.结果表明:不同宽度路基温度随时间均呈周期变化,但每年平均温度呈现总体上升的趋势,且在相同的时间条件下,随着宽度的增加,温度不断上升,但增加幅度逐渐降低;路基中心线处融深随宽度的增加呈三阶段上升趋势,路肩处融深随宽度的增加呈直线上升趋势,坡脚处融深随宽度的增加而增加,但变化幅度很小;增加宽幅路基高度可以在一定程度上起到保护冻土的作用,但路基高度增加到一定值后,继续增加高度对提高冻土上限作用不明显.     

高纬度林区多年冻土片块石路基降温效果及变形特征

在边坡滑塌、不均匀沉陷等路基病害极易发生的多年冻土区,片块石路基是一种常见的路基结构,而其在高纬度林区的应用研究还相对较少。本文针对高纬度林区多年冻土体积含冰率高、对温度变化敏感等特征,以高纬度林区某段公路多年冻土片块石路基工程为例,建立冻融循环热力耦合数值模型,分析了片块石路基温度场和应力-应变场的变化规律,研究了路基冻胀融沉的热力学机制。结果表明：高纬度林区多年冻土片块石路基的温度场,在地下2 m内受地表温度影响显著,而地下2 m以下受影响较小,温度稳定在-1.5 ℃。多年冻土片块石路基的变形以融沉为主,在11月达到最大值,为13.5 mm;而冻胀量在4月达到最大值,为7.5 mm。路基融沉主要归因于冻土的融化,而路基冻胀是由于路基结构本身的冻胀变形引起的。因此,在高纬度林区多年冻土路基采用片块石冲压层和填筑层的结构是可行的,对路基下冻土起到良好降温效果的同时,路基的变形量也控制在了规范要求范围内。     

青藏铁路低温冻土区片石路基的温度特征

在青藏铁路五道梁低温冻土区进行了片石护道路基新结构和土护道路基结构的实体工程试验,以确定路基修筑对温度场的影响.对测试断面冻融循环的地温监测资料的分析表明,2004年片石路基左右路肩孔冻土上限处,年平均地温分别低于土护道路基相应位置0.12℃和0.14℃,2005年片石路基左右路肩孔分别低于土护道路基相应位置0.65℃和0.03℃,冻土上限以下地温均呈逐年下降趋势.片石护道和土护道路基冻土上限均存在不对称性,但随着时间发展,片石护道路基最大融化深度位置基本接近或超过天然地面,且冷生过程还在继续.该区域的片石护道路基新结构能够有效发挥降低地温、主动保护多年冻土的作用.     

多年冻土路堤水平排水板的作用机理与试验研究

为了解决青藏高原的冻土浅层雨季雨水下渗和蒸发所产生的冻土冻胀与融沉问题,在青藏高原开展水平排水板结构性路基和普通通风路基的原位模型对比试验,并从理论上探讨水平排水板在多年冻土路基中浅层重力排水和结构加劲的作用机理,确定水平排水板的铺设参数;运用光纤监测技术对水平排水板在多年冻土路基中的变形进行监测,对比分析水平排水板铺设与否这2种条件下冻土路基变形监测结果.研究结果表明:铺设水平排水板缩短了冻胀变形的冻结期,延长了相对稳定的稳定冻结阶段,减小了冻胀变形范围和冻胀变形;在铺设水平排水板的路基段,最大融沉变形为3.7 mm,累计最大冻胀变形为5.7 mm,而在未铺设水平排水板的试验路基段,最大融沉变形为3.1 mm,累计最大冻胀变形为9.2 mm.水平排水板在冻土路基工程中,可以有效控制雨水量在路堤下的下渗,减小雨水下渗量所带来的多年冻土路基的冻胀变形.     

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%.     

考虑蠕变损伤作用的高山草甸区路基冻胀特性——以贡觉至芒康公路为例

冻胀融沉现象是高山草甸区路基的主要病害,是急需解决的重要问题。对于季冻区路基,蠕变作用使得路基冻胀变形更加复杂,因此,建立一种考虑蠕变损伤作用的冻土数学模型尤为重要。将冻土视为非线性弹性体,考虑冻土体蠕变损伤作用,分别从水分场、温度场、应力场角度,基于各物理场的微分控制方程式及其之间的联系方程,建立冻土在三场耦合下的数学模型。基于该数学模型对高山草甸区路基进行数值计算。研究发现,路基的最大冻深位置在路基表面以下1.2 m处,冻结锋面推移最大深度达到距离路基顶端以下0.6 m处;在左右路基顶角、新旧路基填土交界处及坡脚拐点处易出现应力集中;最大水平位移约为6.44 mm,最大竖向位移约为15.8 mm,大致出现在两侧坡面与路基顶面交界角处,应重点加强两侧坡面及路基顶面交界角处的防冻胀处置措施。     

类毛细导水材料排水及抑制土体冻融效果研究

为解决季节性冻土地区路基土中水分积累引起的路基冻害问题,以商用高岭土为对象,通过对使用类毛细导水材料处理后的高岭土单元试样分别进行排水和冻融试验,研究类毛细导水材料排水及抑制土体冻胀的效果. 结果表明,类毛细导水材料可以在土体非饱和条件下将其中水分排出,使土样中水分含量降低20%~30%;类毛细导水材料包裹试样侧面时的排水效果优于将其埋设于试样中,且试样初始含水率越大,类毛细导水材料的排水性能发挥越充分;冻融试验中,土样初始含水率越高,其冻胀量和融沉量也就越大,类毛细导水材料能够使土样在冻胀融沉过程中的体积变化率降低5%~15%,从而有效抑制土体冻害.     

水分迁移对高山草甸区非冻结路基土的影响

高山草甸区域内道路冻胀、翻浆等病害大量发生,水分迁移是产生冻胀翻浆病害的主要原因.为了研究初始含水率、细颗粒含量及入流通量对非冻结路基土中水分迁移的影响.依托拉妥至芒康公路改建工程,进行室内试验.结果表明:当土体处于最佳含水率时,不同细颗粒含量的土样毛细水上升高度不同;在一定细颗粒含量范围内,土体总入流量及入流通量随细颗粒含量的增加而增大;当初始含水率为11％时,细颗粒含量为19％的土样总入流量随时间变化曲线表现为"S"形,而细颗粒含量为22％的土样却表现为拱形,说明土样总入流量随时间变化曲线随着细颗粒含量的增加,土样同样出现滞后现象.土体总入流量及入流通量与初始含水率成反比,总入流量随时间变化曲线由拱形变化为"S"形.结果表明高山草甸区的最低路基填筑高度控制在1.5 m以上,能有效防治路基冻胀翻浆.研究成果可对西藏高山草甸区公路建设与养护提供科学的依据和指导意义.     

青藏铁路运营以来冻土路基变形特征及其来源探讨

路基变形是路基稳定性的外在表现形式。基于青藏铁路多年冻土区路基变形与温度监测资料,分析了铁路路基变形总体特征,并探讨了路基变形的来源。该研究为青藏铁路路基稳定性判断及病害预警提供数据支持,为铁路工程的维修养护提供依据,也为变形理论分析提供必要的科学依据。研究结果表明:青藏铁路自通车运营以来路基变形总体上趋于平稳,仅有2个断面的变形超出规范要求,但仍有部分监测断面的沉降变形处于发展之中。(部分路基断面不均匀变形明显,表现为路肩纵向变形和路基横向变形差异较大。路基变形较大的断面,其变形主要来自路基下部因多年冻土人为上限下降而引起的高含冰量冻土的融沉变形、融土的压密变形以及下部多年冻土的压缩变形。路基变形较小的断面,其变形主要来自路基下部多年冻土与残余冻土的压缩变形。)     

封闭不补水条件下粉土冻胀特性试验研究

为量化初始含水率、干密度和冷端温度对路基粉土冻胀特性的影响,在封闭不补水条件下,采取改变初始含水率、干密度及冷端温度的方法,进行7组室内粉土冻胀特性试验.研究结果表明:初始含水率、干密度和冷端温度三个因素都对粉土冻结深度有影响;粉土的冻胀率与初始含水率、干密度有较好的线性关系;粉土的初始含水率每增加2%,水分迁移量增加1%左右.基于试验结果,从理论上分析冰透镜体的形成与分层,指出冻土中冰透镜体成层分布的现象是由冻结缘在移动过程中速度不匀导致的.研究结论对粉土路基设计和防治粉土路基冻胀灾害有一定的指导意义.     

青藏铁路运营期间冻土路基裂缝问题研究

运营期青藏铁路冻土区路基工程最值得关注的变化是不同部位裂缝的发生和发展以及对线路安全运行的影响.通过对不同时期青藏铁路多年冻土区路基工程裂缝发生发展影响因素的分析,认为冻土区路基工程基底地温场的不对称以及基底土体冻融过程不同步是路基工程变形裂缝发生的主要原因,路基坡脚和周围冻土水热环境变化是裂缝发展的拉动力,路基填料性质也是不容忽略的因素;根据运营期间冻土路基热状态和工程状态分析,对运营期青藏铁路冻土路基工程状态进行了初步评价,并提出了减少或消除地温场的不对称及保护路基坡脚冻土环境,从而抑制冻土路基裂缝的工程对策.     

风积土路基道路冻害防治措施试验

根据辽西地区的水文地质气候特征,考察了近几年的辽西地区风积土路基道路的冻害现象,发现存在的道路冻害现象有:冻胀、融沉、翻浆冒泥、开裂等.分析研究表明土质、温度、水是产生这些冻害的根本原因.针对这些冻害,从其产生的根本原因出发,采取碾压击实路基、风积砂换填、无机结合料稳定土路基等措施对其进行防治,并进行了路基风积土冻结试验、碾压击实试验、风积砂换填试验、水泥煤渣稳定土层和石灰粉煤灰稳定土层试验研究.通过对试验数据分析得到了其冻结规律,采用碾压击实法,其最佳压实度度为93%～95%;采用风积砂换填隔水法,风积砂垫层时位置应在地下水位以上,一般应在土基50-80 cm深度处铺筑,换填厚度在中湿路基为15～20 cm,潮湿路基为20～30 cm;采用无机结合料稳定土防止、防治风积土路基道路冻害,厚度均应在25 cm左右,其中水泥、煤渣、风积土的质量比约为6:40:54,石灰、粉煤灰、土三者的质量比为14:30:56,在此基础上.对各种措施的防治效果进行了对比评价.     

路基边坡降雨试验及基于神经网络的水分场研究

为了研究降雨条件下路基边坡土体含水率的变化规律及雨水入渗过程,进行一系列不同降雨强度、不同坡度条件下的室内降雨模拟试验。以土体含水率受降雨历时、土体空间位置、坡度和降雨强度这4个因素作为输入单元,体积含水率作为输出单元,选取试验数据输入训练,建立含水率的遗传算法神经网络预测模型。预测检验后,利用神经网络对2.7 mm/min降雨强度下40°边坡的降雨入渗过程进行预测研究。研究结果表明:对于路基边坡,当土的性质、压实度、排水等条件相同时,土体含水率受降雨历时、土体空间位置、坡度和降雨强度这4个因素共同影响;随降雨的进行,土体含水率逐渐增加,浸润范围不断增大,受空间位置影响距入渗面越远则含水率变化滞后,增长速率及幅度减小;在相同雨强下,不同坡度边坡坡顶土体含水率变化过程相似,而随坡度的增大,坡脚土体含水率的增长速率及幅度逐渐减小;随雨强的增加同一边坡相同位置处土体含水率越早开始增大,其增长速率及幅度也随之增加;利用所建立的含水率遗传算法神经网络预测模型所得入渗结果与试验观测结果接近,表明该神经网络方法能较好地描述路基边坡土体含水率的变化情况及雨水的入渗过程。     

高寒地区高速铁路路基防冻胀关键措施——碎石盲沟施工技术

高寒地区路基冻胀易引起路基沉降变形,是高速铁路路基施工中的关键技术难题。新建哈尔滨至齐齐哈尔铁路客运专线DK87＋600-DK88＋125段路基与既有滨州线之间原地面较高,原设计路基横向排水通道（护道土中的渗水土层）被封堵,地下水位埋深相对较低,为保证排水通道畅通,在哈齐与既有滨洲线间设置渗水盲沟,将路基本体中的水引入盲沟中,通过盲沟将水排到检查井中,最后将水通过渗水管井导入地下,减少了路基冻害,避免冻胀变形,有效的保证了铁路行车安全。     

青藏铁路多年冻土区典型结构路基振动响应特性

在青藏高原的寒季和暖季条件下,对青藏铁路北麓河段的块石路基和素土路基进行了强震动测试,运用二维等价线性时程响应动分析法对2种典型结构路基进行了动力响应的数值计算.结果表明,从路肩到坡脚的机车荷载传递具有明显的衰减效应,并且暖季衰减大于寒季.在路基中心的原地表处,块石路基的振动衰减效应大于素土路基.     

列车荷载下桩网路基加筋垫层土工格栅受力影响因素分析

基于桩网路基动力有限元模型,分析了桩间距、路基高度、桩端土体模量、垫层模量对列车荷载作用下土工格栅受力的影响.研究结果表明:线路纵向方向上土工格栅的拉力随桩间距增加而增加,桩间距大于2m对桩间土处格栅拉力影响较小,而对桩顶和边缘的格栅拉力影响较大;路基高度与土工格栅拉力基本呈正比关系;随桩端土体模量增大,土工格栅拉力减小,当桩端土体模量达到100 MPa时,格栅拉力基本不受影响,垫层模量变化对格栅拉力基本没有影响;列车荷载作用下的格栅拉力增量随路基高度增加而增加,随桩端土体模量增大而减小;沿路基横断面路基中心到坡脚的土工格栅拉力受桩间距、路基高度、桩端土体模量和垫层模量变化的影响与上述结论类似,但从路基中心到路肩再到坡脚,以上因素的影响程度逐渐降低.     

注盐法整治季节性铁路路基冻害可行性试验研究

以青藏铁路鸟岛段季节性冻土区路基冻害为研究背景,在室内填筑路基实体模型,进行封闭系统中反复冻融循环条件下的模型试验,分析冻融循环条件下普通路基和注盐路基的温度和位移规律。结果表明：随着环境温度的周期性变化,普通段和注盐段的温度均呈现出正弦曲线变化规律,试验段温度波动范围为环境波动范围的三分之一左右;普通段两个断面路基土体在固结沉降过程中呈现出有规律的抬升和下沉,注盐段呈缓慢下沉;普通段和注盐段两个试验段四个断面路基土体冻胀最大值分别为0.23 mm、0.10 mm和0.06 mm、0.05 mm,注盐之后路基冻胀减小平均约74%,说明注盐对于路基土体冻胀有很大的抑制的作用,注盐法整治路基冻害是可行的。