季节性冻土区高速铁路路基冻害机理及冻害防治方法研究

Motivated by the sbstantial frost heave observed in the recent high-speed railway between Harbin and Dalian, this project aims to investigate the interaction between high-speed trains and frost action in seasonally frozen ground. The project aims to develop (1) a theoretical model that governs the water and mass transfer in soils subjected to cyclic train loads; (2) numerical models that governs the interaction between high-speed trains and frost and thaw actions in ground. The project is based on innovative research methodology and directly addresses engineering problems of great significance. The project will also develop new frost hazard mitigation measures in high-speed railway embankments, which will play a crucial role in designing and constructing high-speed railways in seasonally frozen ground.

本项目以哈大线高铁路基出现大面积冻胀为背景，从外部荷载环境入手，研究高铁运行与季节性冻土中冻结冻融相互作用机理；建立起高速列车荷载作用下土中水质迁移及孔隙水压力产生消散的理论模型；开发高速列车荷载与冻胀冻融相互作用的数值模拟平台。通过解决相关的科学技术问题，将会深化对冻害机理的认识，从而对重大工程中的冻害防治提供一种新的思路，特别是本项目将对季节性冻土区高铁建设提出全新路基冻害防治措施及其理论依据，具有重要的应用与理论价值。

针对高速铁路路基中低含水量、远离地下水的级配碎石等冻胀不敏感性粗颗粒土，却普遍发生冻胀的特殊现象。提出了一个简洁的“循环动载诱发冻胀”模型，认为高速列车循环荷载会导致地下水位以下饱和地基土中超静孔隙水压力的发展，进而将地下水“泵送”至冻结线以上，从而为土中独立冰层的形成，及冻胀的发生持续地提供“原材料”。模拟结果表明，本模型能够很好的揭示上述特殊工程现象发生的原因；同时，新模型对循环荷载诱发冻胀机理的阐述，也为季节性冻土区高速铁路路基冻胀防治研究提供了一种新的思路。假定冻胀是由冻土内冰透镜体的生长引起的；冰透镜体的生长由热力学Clapeyron方程控制，并且依赖于已冻结区与未冻结区之间冻结缘是否存在。未冻水和冰共存于冻结缘的孔隙中；冰水交界面处的吸力使水产生流动，并为冰透镜体的生长补给水分。同时，通过定义一个新的简单的“有效应力”的概念，来判断是否会萌生新的冰透镜体，并提出一个简单的冻胀模型。该模型仅通过几个简单的土的参数，就可以计算土体冻胀量及冻结深度。在此基础上，利用所建立的模型对不同土的冻胀敏感性进行分析。土的冻胀敏感性必须结合环境条件来评估，如上覆压力、温度梯度、降温速率及地下水位埋深等；而某些土在传统的分类中属于弱冻胀土，但在一定环境条件下，仍会产生显著的冻胀量或冻胀压力。