深季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基穩(wěn)定性研究.pdf

1、隨著季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路的陸續(xù)修建和開通運營，路基的穩(wěn)定性問題日益突出，亟需研究凍融循環(huán)和列車荷載作用下路基的穩(wěn)定性及發(fā)展趨勢，從而為保證季凍區(qū)高速鐵路的安全運營提供依據(jù)。
　　本文依托鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2008G006)和國家科技支撐計劃課題(2012BAG05B01)，以哈大高鐵深季節(jié)性凍土地區(qū)的路基為研究對象，在充分借鑒和吸取前人研究成果的基礎上，以現(xiàn)場監(jiān)測、經(jīng)驗方法、理論分析和數(shù)值模擬為手段，分析了路基的地溫分

2、布規(guī)律，研究了凍融循環(huán)和列車荷載作用下路基的地溫場、應力場和變形場的發(fā)展趨勢。研究結果有利于深入了解深季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基穩(wěn)定性的發(fā)展變化，并為改進季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基的設計和凍害整治措施提供了參考。本文主要取得了以下六個方面的研究成果:
　　(1)通過分析季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基的設計特點及工作特性，確定了路基穩(wěn)定性的監(jiān)測指標，制定了監(jiān)測方案進行了實地監(jiān)測，依據(jù)實測數(shù)據(jù)研究了路基的地溫、含水量及變形等的變化規(guī)律。分

3、析表明:季凍區(qū)高鐵路基土體中溫度梯度的存在改變了水分的原有狀態(tài)，引起了水分的遷移變化，土體力學性質發(fā)生了改變，進而使得路基產生了凍脹融沉變形。
　　(2)考慮平均地溫、地溫振幅、相位差異及土的熱學性質等隨時空的變化，基于地溫實測資料建立了路基地溫的估算模型，在此基礎上詳盡分析了各路基斷面的凍深發(fā)展、橫向地溫差異及凍結條件等地溫分布規(guī)律。分析表明:路基橫向不同位置地溫分布普遍存在差異;路基的凍結條件主要受外界氣溫和路基上覆蓋層等的影

4、響;季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基地溫主要受到所在地理位置和路基高度的影響。
　　(3)分析了國內外凍土地區(qū)路基設計凍深的確定方法，表明目前的設計凍深計算原則不適應季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基防凍脹設計的需要。因此，在地溫估算模型的基礎上，統(tǒng)計分析得到了路基凍深與空氣凍結指數(shù)、路基面凍結指數(shù)的經(jīng)驗公式，并通過經(jīng)驗公式中的參數(shù)和影響系數(shù)考慮凍深的主要影響因素，從而提出了適用于季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路無砟軌道路基設計凍深的計算方法。
　

5、　(4)基于地溫的估算模型確定邊界條件，建立了非穩(wěn)態(tài)相變溫度場的數(shù)學模型，研究了路基地溫隨時間的變化特點和沿深度的分布規(guī)律，預測了地溫場的變化趨勢。數(shù)值模擬結果表明，填筑過程中的蓄熱在施工完成后逐漸消散，深度越深，消散需時越長，過程越明顯。在路基蓄熱影響范圍以外，土體地溫相對比較穩(wěn)定。路基最終形成較為穩(wěn)定的季節(jié)凍結層、相對穩(wěn)定的地溫和形態(tài)不對稱的地溫場。
　　(5)結合數(shù)值模型的實際約束情況，考慮冰水相變的作用，采用熱彈性力學理論

6、推導出了凍土路基應力和變形的二維數(shù)值方程，建立了路基力學有限元模型，實現(xiàn)了路基溫度場和變形場的耦合連續(xù)計算?？紤]路基填土的不同凍脹率，研究了路基凍融過程中的變形和應力分布規(guī)律。計算結果表明:隨著凍脹率的增大和凍深的發(fā)展，路基豎向位移、橫向差異變形、橫向位移及拉應力等隨之增加。路肩和邊坡處可能在凍融過程中出現(xiàn)拉破壞而導致裂縫。進一步的討論分析表明:路基中水分重分布引起的土體凍脹率、融沉壓縮系數(shù)等的變化是影響路基變形穩(wěn)定性的主要原因。