深季節凍土區路橋過渡段凍融變形機理與控制研究

《深季節凍土區路橋過渡段凍融變形機理與控制研究》是依託石家莊鐵道大學，由王天亮擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：深季節凍土區路橋過渡段凍融變形機理與控制研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王天亮
• 依託單位：石家莊鐵道大學

項目摘要

溫度分布情況複雜和結構迥異是深季節性凍土區路橋（涵）過渡段凍害問題突出的重要原因，由凍脹、融沉引起的過渡段病害問題嚴重影響和制約著凍土區高速、重載鐵路的發展。依託已有的路橋（涵）過渡段監測斷面，採用現場監測、室內試驗與理論分析相結合的方法，分析深季節凍土區路橋（涵）過渡段的溫度分布情況，重點研究過渡段差異性凍脹、融沉變形機理，探討制約路橋（涵）過渡段凍脹融沉變形的關鍵因素，提出路基填料凍脹、融沉和凍脹力分級標準，研究土體凍結融化過程中的水分遷移規律和凍結緣的形成過程。結合室內模型試驗，建立深季節凍土區鐵路路基多源融合的凍脹融沉計算模型，並預測其長期變形。在上述研究成果的基礎上，提出適用於深季節性凍土區路橋（涵）過渡段差異性凍脹、融沉控制方法。研究結果對提高深季節凍土區路基工程設計與施工質量、路基凍害防治具有重要意義，同時也進一步完善了凍土力學學科體系和凍土試驗技術。

結題摘要

路橋過渡段差異凍融變形問題是制約凍土區高速鐵路快速發展的關鍵和亟待解決的重要科學問題。依託哈齊高速鐵路路橋過渡段的設計與施工，深入分析了凍土區路橋過渡段的溫度場、變形場分布特徵，初步得到了多因素耦合作用數值計算模型，探討和分析了適用於凍土區高速鐵路路橋過渡段的填料類型、結構形式，並結合工程實際提出了凍土區高速鐵路路橋過渡段差異凍融變形控制措施。本項目主要取得了以下幾點成果：①結合現場監測和室內試驗，研製並開發了一系列與項目密切相關的測試試驗裝置，如高程基準樁、大直徑試樣凍脹測試裝置和凍拔性能測試裝置等；②分析監測數據發現，凍結深度不僅與環境溫度有關，亦與路基填料的性質密切相關；③路橋過渡段與標準路基相比，具有凍深更大、陰陽坡現象更明顯的特點，且溫度邊界複雜性和結構迥異是凍土區路橋過渡段凍害問題突出的關鍵控制因素；④基於數值模擬和理論分析，複合保溫措施、以及適當增加橋台構築物與路基填料接觸面的傾斜角度可以有效地抑制路橋過渡段凍害發生髮展；⑤採用凍脹率、抗壓強度和壓實度作為抗凍脹填料的控制指標，提出過渡段粗粒土填料的合理細粒含量為5%，並將經歷6次凍融後力學指標作為工程設計參考值；⑥綜合考慮凍脹率、抗壓強度和滲透係數，對於非滲水性要求的路基，基床填料益選用細粒土含量3%、水泥摻量3%的級配碎石，而對於有滲水性要求的路基，基床填料益選用去除0.5mm以下顆粒、水泥摻量3%~5%的級配碎石；⑦水分遷移是路基填料凍脹發生髮展的原驅動力，外界水源補給條件下的凍脹量是封閉條件下的1.3倍，因此做好路基防排水可有效抑制路基凍融變形量。這些研究結果對有利於進一步提升我國寒區高速鐵路路基凍脹防控理論水平，為凍土區路基工程設計與施工、養護與維修提供必要的技術指導，同時也進一步完善了凍土力學學科體系和凍土試驗技術。