深季节冻土地区路基冻胀融沉变形机理及防控研究

根据既有铁路线的调查结果，我国深季节冻土地区的路基容易产生冻胀融沉变形，威胁行车安全，对于新建高速和重载铁路问题尤为突出。本项目依托正在建设的哈齐客运专线，采用现场监测、室内实验、理论分析和仿真方法，揭示深季节冻土区路基冻胀融沉发生的机理；探索温度、水分、荷载等关键制约因素对冻胀融沉的影响规律；探索地基土和路基填料的冻胀敏感性、水分迁移特性和细观冻胀机理，以及路基温度场和变形场随季节的变化规律。依据理论分析和试验监测成果，建立深季节冻土地区地基土和路基本体的冻胀融沉计算模型。提出高速、重载铁路路基冻胀预防和控制措施和相应指标。提出满足高速铁路路基冻胀率要求的最小细颗粒含量，以及低细粒土含量填料的有效压实手段。对于完善深季节冻土变形理论，有效控制深季节冻土地区路基的冻胀融沉变形，解决在该类地区修建高速、重载铁路的关键科学问题，确保行车安全，具有重要的实际应用价值和理论意义。

目前在季节性冻土地区我国已经建成和正在建造多条高速铁路，例如哈尔滨至大连、哈尔滨至齐齐哈尔等。莫斯科至喀山时速400公里的高速铁路也由中国中标建设。季节性冻土地区高速铁路路基冻胀融沉问题亟待解决。.该项目结合哈尔滨至齐齐哈尔高速铁路建设，开发了一系列用于季节性冻土地区现场监测和室内实验的仪器设备；通过现场监测获得该地区的路基温度场的随季节的变化，掌握路基冻胀融沉量级和变化规律；通过室内实验，确定抗冻胀级配碎石填料的合理级配、压实工艺和反复冻胀作用下的工程力学性状；建立计算机仿真模型，预测路基防护措施的效果和合理结构形式；最后利用模型试验探索了桩的抗冻拔机理和技术措施。.项目研究取得的成果：1)研制了适用于冻土严寒地区现场监测和级配碎石室内试验的一系列仪器，包括抗冻拔水准基点、级配碎石专用钻机、路基面冻胀监测标、可变频级配碎石表面振动击实仪、级配碎石渗透仪、基床表层力学特性试验装置等，保证了现场监测和室内试验精度和可靠性。2）掌握了试验段路基温度场与冻深变化规律。最大冻结深度出现2月底3月初，天然地基约为2.7 m左右。路基阴面路肩处冻深最大，可达3.3m左右，路基由于受填料性质和多向冻结的影响，致使其冻深大于天然地基约20%。3）弄清了路基面冻胀与融沉量级和变化规律。路基累积冻胀量与冻深之间具有非线性关系，浅层填料的冻结对路基冻胀起较大作用。当冻深增加到一定值(约1.2m-1.4m)以后，冻胀量不随冻深的增加而增加。4）掌握了级配碎石基床表层的工程力学特性和冻融特性。采用表面振动击实仪湿法击实，能够达到良好的击实效果；为了考虑冻融循环引起的强度衰减影响，强度设计指标应该取冻融循环6次以后的试验结果；开敞结构中级配碎石的冻胀量大约是封闭结构中级配碎石的冻胀量的1.3倍。5）基于实测数据建立了仿真模型并进行了计算预测。计算表明不同护道高度对路基面的冻胀影响很小；采用10cm的XPS保温板，在路基面和路基边坡顶以下2m深范围内铺设时，其保温隔热效果优于保温护道。6）揭示了桩的抗冻拔机理，提出了抗冻拔技术。 当采用锥角在（7-9）℃左右的锥形桩时，桩自身结构可较好地抵消冻拔力和冻拔位移，经过现场验证是经济可行的。.该成果能够减少高速铁路路基的冻胀融沉病害，延长路基使用寿命，从而减少大量的线路维护费用，产生良好社会、经济和环境效益，应用前景广阔。