神朔重载铁路低液限粉土填料室内冻胀特性及抗冻措施研究

摘要

季节性冻土易发生土体不均匀冻胀，从而引起一系列的工程病害。神朔重载铁路位于我国西北地区，路基不均匀冻胀严重，导致轨道结构变形，降低线路平顺性，不仅增加铁路运营成本，也给列车行驶的安全性造成一定隐患。本文以神朔路基低液限粉土填料为研究对象，通过理论分析、现场气候水文监测、室内试验和数值模拟等方法，开展了神朔重载铁路冻害段的气候水文现场监测、不同条件下的起始冻结温度和冻胀特性试验、掺盐和改变级配等抑冻胀措施试验，以及掺氯盐抑制冻胀的敏感性等研究工作。通过上述研究，得到以下结论:
　　(1)通过冻害段气候、水文调研及室内常规土工试验，认为神朔铁路神木段路基本体含水率高，填料为低液限粉土且颗粒粒径小且分布不均，土体冻胀敏感性较强等是引起路基冻胀的直接原因。
　　(2)起始冻结温度随含水率的增大而升高，且出现明显的过冷现象，但过冷温度与含水率的相关性不显著。
　　(3)随着含水率的增大，水分迁移量和冻胀变形增大;温度过高过低时均不出现最大土体冻胀，最大冻胀变形和水分迁移需要合适的冷端温度;随着荷载增加，土颗粒间接触应力增强，起始冻结温度降低，水分迁移量和冻胀变形减小;压实系数较小时，冻胀变形和水分迁移量较小，随着压实系数的增大，土体孔隙率变小，饱和度增大，水分迁移和冻胀变形呈增大趋势，但压实系数过高时，冻胀变形和水分迁移量减小;通过灰色关联度分析得出，影响神朔路基填料冻胀性的因素重要性依次为含水率、温度、压实系数，含水量对冻胀的产生起决定性作用。
　　(4)土体掺入氯化钠和硫酸钠后，冻胀变形量和水分迁移均减少，土体起始冻结温度下降;氯化钠对冻胀的抑制作用强于硫酸钠;当氯化钠掺入量为2％时，低液限粉土在较低的温度下不发生冻胀。
　　(5)掺加粗颗粒材料能降低土体初始含水率，抑制土体水分迁移和冻胀变形，且随着粗颗粒含量和粒径的增加，抑制作用增强。
　　(6)通过Comsol软件模拟掺入不同含量氯化钠冻胀时，土体内部温度分布、水分迁移规律及冻胀变形与室内试验结果吻合，验证了试验和模拟的有效性。
　　研究成果能为神朔铁路路基段抑制冻胀提供理论指导。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 正冻土水分迁移研究

1．2．2 冻胀机理研究现状及进展

1．2．3 控制冻胀措施研究

1．3 研究不足

1．4 研究内容及技术路线

1．4．1 研究内容及方法

1．4．2 技术路线

2 低液限粉土填料冻胀机理和影响因素分析

2．1 冻胀机理

2．2 冻胀发展过程

2．3 传统冻胀模型

2．4 不同因素下土体冻胀性

2．4．1 土体的含水量对冻胀的影响

2．4．2 土中温度对冻胀的影响

2．4．3 土体密度对冻胀的影响

2．4．4 土体的粒度组成对冻胀的影响

2．4．5 盐分对冻胀的影响

2．4．6 外部荷载对冻胀的影响

2．5 小结

3 神朔重载铁路路基冻害严重段工程条件

3．1 路基冻害段的气象资料调查分析

3．1．1 冻害段四季温度变化

3．1．2 年平均降雨量

3．2 冻害段路基填料基本性质分析

3．2．1 取土点位置

3．2．2 土体基本物理力学试验

3．2．3 冻结温度试验

3．3 神朔铁路路基变形特征分析

3．4 小结

4 封闭条件下低液限粉土室内冻胀特征研究

4．1 试验设备

4．2 试验方法及条件

4．2．1 试验方法

4．2．2 试验条件

4．4 试验结果分析

4．4．1 含水率对冻胀特征的影响

4．4．2 温度梯度对冻胀特征的影响

4．4．3 荷载对冻胀特征的影响

4．4．4 压实系数对冻胀特征的影响

4．5 冻胀影响因素灰色关联度分析

4．5．1 灰色关联度分析的原理

4．5．2 灰色关联模型建立

4．6 小结

5 季冻区路基冻胀防治措施的有效性研究

5．1 掺盐抑制土体冻胀效果研究

5．1．1 盐分降低冰点的机理

5．1．2 含盐量对降低冰点的影响

5．1．3 试验方法

5．1．4 试验结果

5．2 掺粗颗粒抑制土体冻胀效果研究

5．2．1 试验材料

5．2．2 试验方法

5．2．3 试验结果分析

5．3 小结

6 土体掺氯盐冻胀敏感性分析

6．2．1 温度场基本方程

6．2．2 水分场基本方程

6．2．2 盐分场基本方程

6．3 有限元计算模型建立

6．3．1 计算模型选取

6．3．2 初始值及边界条件

6．3．3 计算参数

6．4 结果分析

6．4．1 温度场

6．4．2 水分场

6．4．3 冻胀变形

6．5 小结

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕学位期间取得的研究成果

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