寒区高速铁路非饱和土路基水气迁移冻融机理及服役性能演化规律研究

Frost damage to high-speed railway emabnkments in cold regions has become an engineering challenge. Existing frost susceptibility criteria for soils are commonly based on: (a) fine content in the soil, (b) initial water content, and (c) temperature gradient and freezing rate. These criteria cannot explain the observed frost heave in the coarse-grained sub-ballast layer within high-speed railway embankments. In addition, exisiting frost heave theories and models are all based on the liquid water migration in freezing soils, and cannot explain why frost heave and ice formation in initially dry soils. These challenges call for systematic and innovative research for freezing processes in high-speed railway embankments. The proposed research program will employ full-scale laboratory tests, advanced triaxial tests, theoretical and numerical models to study the coupled migration of liquid water-vapour in unsaturated freezing soils, to investigate the mechanism of frost heaving - thawing weakening, to develop proper methods for assessing life-cycle performance of high-speed railway subgrades. This project will not only provide new understanding of the observed frost heave phenomena, but also offer many important technical advanatges for railway construction across the massive cold and arid regions along the "the Belt And Road" routine.

随着铁路建设在空间上的进一步延展，寒冷地区建设高速铁路已经成为必须面对的工程挑战。而在寒冷地区，冻胀及融沉等冻害对工程的影响普遍存在。基于液态水成冰传统冻胀理论认为，冻胀敏感性土、路基含水量或地下水位较高、低温是冻害发生的三个关键因素。然而，已有的工程实践发现，即使在冻胀不敏感、含水量低且远离地下水补给的粗粒土中，也发生了显著冻胀。这种与传统对冻害形成机理的认识相悖的现象，表明仍有新的科学问题未被揭示，亟需开展系统的创新性研究。针对该问题，基于本课题组揭示的土中气态水迁移成冰机制的前期研究基础，本项目拟从非饱和土填料中水气迁移相变的理论研究入手，揭示寒区非饱和土路基冻胀-融沉机制，探讨寒区高速铁路路基服役性能演化规律，最终建立起寒区高速铁路路基服役性能的调控方法。本项目的开展，将加深对寒区重大工程建设的冻胀机制的认识，也能为“一带一路”沿线广大寒旱区的铁路建设提供重要的技术支撑。

随着“一带一路”深入推进，重要交通工程的大规模建设和运营向寒区推进，非饱和土路基发生的显著冻害问题，对高速铁路高速平稳性、基础精细变形控制的提出了新的挑战。本研究首先从土-冰-水-气四相角度和孔隙尺度出发，阐释了非饱和土冻融物理过程机制，提出了考虑吸附与毛细作用的饱和冻土冻结特征曲线（SFCC）模型，揭示了非饱和冻土水-冰相变机理。同时从冻土中冰生长和赋存状态出发，结合正温下渗透系数的推导过程，建立了非饱和冻土水气迁移渗透系数模型，从理论分析层面完善了寒区高速铁路非饱和填料水气迁移相变理论。其次，基于自主研发的正负温下非饱和土水气迁移冻胀的试验系列装置，证明了气态水迁移与相变是非饱和粗粒土冻胀的主要机制，从而建立了考虑水气耦合迁移的土体冻胀数学模型，开发了土体冻胀模拟软件PCHeave并开展数值分析，形成了寒区高速铁路粗粒土路基水气迁移冻胀理论。再次，建立了湿度反复变化下非饱和路基土动态回弹模量和累积变形预测模型，并基于铁路大系统动力学理论，引入ABAQUS-MATLAB联合仿真、时变耦合和多步长动力迭代求解策略，建立了不均匀变形下列车-轨道-路基系统动态力学响应计算模型。基于概率有限元方法计算结构的失效概率，利用ABAQUS-Python二次开发以及MATLAB建立体现土体参数空间变异性的随机场模型，对寒区高速铁路非饱和土路基服役性能进行了评价研究分析。最后，建立了寒区高铁路基冻融变形的野外监测试验平台，并提出了微型盾构横向换填路基冻害整治技术与树脂类注浆胶加固的路基冻害整治技术，对寒区高速铁路非饱和土路基服役性能进行了有效调控。研究成果将经典冻土理论拓展到了非饱和土，形成了一套非饱和冻土理论，为高速交通工程的服役安全提供了理论和技术支撑，具有重要科学意义。本研究相关成果在兰新高铁、秦沈高铁、哈牡高铁、哈齐高铁等多条高铁线路应用，取得良好经济和社会效益。