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《换填法抑制季节冻土区铁路路基冻胀效果分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、换填法抑制季节冻土区铁路路基冻胀效果分析第32卷,第5期20l1年9月中国铁道科学CHINARAIIWAYSCIENCEVoL32No.5September,2011文章编号:1001—4632(2011)05—0001—07换填法抑制季节冻土区铁路路基冻胀效果分析许健,牛富俊,牛永红,刘华(1.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055;2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻~2E程国家重点实验室,甘肃兰州730000)摘要:以沈哈线路基A,B组填料为研究对象,采用室内冻胀试验,研究粉黏粒含量对其冻胀
2、特性的影响.试验表明:路基填料的冻胀系数随粉黏粒含量增加而增加,且增幅逐渐增大;结合沈哈线路基基床厚度及沿线最大冻深,为保证路基不产生冻胀破坏,应确保换填用路基A,B组填料中不含有粉黏粒.采用非稳态相变温度场的数学模型和热弹塑性冻胀模型,进行沈哈线换填试验段冻土路基冻融过程温度场及冻胀应力,变形场计算分析.结果表明:天然地面下2m左右为冻融活动层,是诱发路基土体冻胀的主要因素;用非冻胀性A,B组填料换填基床厚度范围内的冻胀性土层后,路堤填筑土体无冻胀变形产生,路基中的拉应力(拉应变)区域外移到距离路堤坡脚4m以外
3、的天然地表下土体,大大减弱了对路堤的破坏作用,计算结果与实际情况相符.关键词:路基;季节冻土;换填法;冻胀系数;冻胀变形中图分类号:U213.14;U216.417文献标识码:A在季节性冻土区,铁路路基工程的建设面临冻胀问题口.].冻胀变形的产生对轨道的状态影响非常大.寒区工程实践表明,路基土的土质是导致冻胀产生的重要因素,也是土体发生冻胀的结构条件.换填法是防止冻结影响区路基冻胀的重要措施,日本和德国使用较多,国内学者对其也进行了多方面研究[4].沈哈线穿越东北中部山前平原重度季节冻土区,其浅层的黏质黄土又是冻
4、胀敏感性土.本文以沈哈线长春段路基为背景,进行换填防冻层抑制铁路路基冻胀效果的研究.1粉黏粒含量对季节冻土区路基粗颗粒填料冻胀特性影响的试验分析试验用的粗颗粒土取自沈哈沿线路基A,B组填料.为分析路基填土中粉黏粒含量对其冻胀特性的影响,在路基填土中分别掺入5,10,15,25和35的粉黏粒,其颗粒级配曲线如图1所示.试验在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室的冻融试验装置(图2)上进行.在设定相同的冷端温度(封闭)下,对不同粉黏粒含量的路基粗颗粒填土进行饱水条件下的冻胀试验,试验条件见表1.1
5、008O衄60g4O2O,'0:—一:?%—0%1--0--5'/olO/—35%j.Il一.74～{粒径/ram图1不同粉黏粒含量下路基填土颗粒级配曲线图3为饱水条件下粗颗粒土冻胀系数随粉黏粒含量的变化关系.由图3可见,粗颗粒土冻胀系数随粉黏粒含量的增加而增加,且增大的幅度越来越大.这是因为,当土颗粒直径较大时,土颗粒表面能很低,表面吸附作用几乎没有,很难形成毛细结构,冻结时水分迁移很弱,以致不会发生水分迁移,也就不存在聚冰现象,因而冻胀系数很小;随着粉黏粒含量的增加,土颗粒间的毛细作用增强,收稿日期:2010
6、—06—2O;修订日期:2010—12—31基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(40730736);国家"八六三"计划项目(2008AA11Z103);中科院知识创新工程重要方向项目(KZCX2一YW—Qo3—04,KZCX3一SW-351)作者简介:许健(1980),男,山东泰安人,讲师,博士.2中国铁道科学第32卷位移计顶板滠度恃媾器鹿板冷冻液进出口图2冻胀试验装置示意图试样筒体试样土体补水系统表1粗颗粒土室内冻胀试验条件注:试验过程中稻温均设为+1℃;底板温度均为+1℃.冻结时孔隙毛细水向冻结面迁移,结
7、冰,形成一定厚度的聚冰层,引起冻胀,冻胀系数变大.图3显示当粉黏粒含量由5增至35时,冻胀系数在19/6～2之间,在铁路路基设计规范中属弱冻胀类型土,但是结合沈哈线路基的设计基床厚度及沿线最大冻深,即使采用粉黏粒含量5的A,B组填料填筑,路基的最大冻胀变形仍可能超过沈哈线路基变形的容许值.因此,为保证路基不产生冻胀破坏,应尽量确保路基A,B组填料中不含有粉黏粒.羹粉黏粒含量,%图3粗颗粒土冻胀系数与粉黏粒含量的关系2冻土路基热弹塑性冻胀计算模型基于热弹塑性理论,应用有限元法对季节冻土区铁路路基的冻胀变形特征进行计
8、算分析.考虑到变形场对温度场的影响较小,分析中采用温度场和变形场的解耦分析方法,先计算温度场,然后计算变形场和应力场.考虑土骨架和水的热传导以及冰水相变作用,冻土路基温度场的分布可用如下伴有相变问题的二维热传导微分方程描述.===()+(等)㈩式中:p为路基土的密度;为等效导热系数;C为等效比热;T为路基土的温度,℃.土体热弹塑性应力与应变e的关系可用如下方程描述l7].
