摘要
随着我国“一带一路”倡议的提出，我国季节冻土区的新建高铁和既有铁路路基提质改造工程正在日益增多和不断推进。冻胀病害是威胁季节冻土区铁路路基工程稳定性和列车运行安全的重要因素之一。与新建高铁路基不同，我国季节冻土区既有铁路线路在修筑时因修建标准较低，在长期运营过程中，普遍存在严重的冻胀病害，严重制约了列车运行速度和运量的提升。目前，既有铁路线路冻害的整治正在有序展开，但针对既有铁路线路病害机理的研究并不系统深入，特别针对铁路沿线冻结特征发育规律的研究不够充分，无法为既有铁路线路冻害整治措施的设计提供科学依据。 基于此，本文选择典型季节冻土区青藏铁路西宁至格尔木(西格段)路基为研究对象，开展路基冻结特征及主动加热路基防冻胀技术研究。首先对西格段环青海湖沿线路基进行现场调查，明确研究区域内路基的温度、水分和冻胀变形规律，结合水-热-力耦合数值计算方法，开展考虑地下水影响的路基冻结特征研究;随后，提出利用太阳能的主动加热路基防冻胀技术并进行了现场试验研究;然后采用现场试验和数值模拟相结合的方法，开展不同工况下加热效果研究，提出优化方案，并对比分析聚热管试验段的实际加热效果;同时，采用数值计算方法分析常见防冻胀措施在既有铁路路基的适用性，并对部分工况提出利用主动加热路基防冻胀技术的补强建议。通过上述研究，以期为季节冻土区既有铁路路基冻胀病害机理解释及防治措施的提出提供理论依据和科学指导。本文主要研究内容和结论如下: (1)青藏铁路西格段环青海湖沿线路基土具有较强的冻胀敏感性，路基冻结深度大，差异冻胀明显，冻胀量随冻结深度呈非线性变化。现场监测数据表明，路基冻结前的初始含水量超过塑限含水量，具有较强的冻胀敏感性;路肩、坡脚和路基中心最大冻结深度分别为1.88 m、2.35 m和大于0.70 m;路基的冻胀量主要出现在冻结深度的中下部，中下部冻结深度的冻胀量约占总冻胀量的70％;结合数值计算结果分析发现较高的路基含水量和高地下水位可导致路基产生较大的冻胀量。 (2)针对西格段环青海湖沿线路基的冻结特征，提出了利用太阳能的主动加热路基防冻胀技术，同时通过现场试验验证了新型技术的有效性和适用性。设计并研发了动力系统和热管系统，并对其进行现场试验以分析其加热效果，发现动力系统和热管系统均有良好的加热效果;对比两种加热系统可知动力系统的集热性能由于热管系统，但无需任何外部动力构件的热管系统的稳定性远远优于动力系统。 (3)通过数值计算方法，建立了加热条件下的水热力数值计算耦合模型，并于实测结果对比，验证了模型的有效性，并进行了不同工况下(不同埋设深度、加热温度和埋设间距)的加热效果研究。研究结果表明:聚热管埋设深度应为0.5m～1.0m,加热温度应高于20℃以上，路基冻结深度最多可减小93％,路基持力层冻胀量均小于5 mm,可较无措施路基减小70％以上。聚热管埋设间距建议为2.0 m，此时两聚热管中心的冻结深度为0.26 m，最大冻胀量为2.1 mm。聚热管试验段监测结果表明，在加热作用下试验段路肩最大冻结深度为0.68 m,可较对比段路肩减小64％以上，最大冻胀量均小于5 mm,较对比段最大冻胀量减小81％以上。 (4)建立了普通路基和保温板、保温护道及换填3种防冻胀措施路基的水-热-力耦合模型，分析了现有常用措施在季节冻土区既有铁路路基的适用性，对防冻胀效果不佳的工况，提出了采用主动加热路基防冻胀技术的补强措施。研究结果表明:保温板可有效改善既有铁路路基路肩的温度状况，基本可减小冻胀量10mm以上，但保温板路基仅适合于路基含水率低、路基高度高于2 m工况，与主动加热路基防冻胀技术结合时其加热温度应高于20℃;保温护道路基能一定程度减小路基的冻结深度和冻胀量，但其保温效果差于保温板，不适宜作为路基冻胀防治的主要措施;换填路基防冻胀效果较为显著，冻胀量可减小25 mm以上，结合主动加热路基防冻胀技术进行补强时其加热温度应高于15℃。
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