寒区高速铁路路基填料冻结特性实验研究

摘要

寒区高速铁路路基因遭受反复的冻胀、融沉作用而引起的路基冻害严重影响着路基服役性能的发挥，因此研究寒区高速铁路路基填料的冻结特性，探索高速铁路路基冻胀的发生及发展机理，对于寒区高速铁路路基的设计及服役性能都具有重要的实际意义。本文通过对寒区高速铁路路基填料冻结特性的室内实验研究，分析了粗、细颗粒路基填料在不同条件下冻结特性的变化规律;采用数值模拟方法，对细颗粒土的冻胀及水分迁移进行了计算，并与试验结果进行对比;最后结合既有的寒区高速铁路路基研究成果，对寒区高速铁路路基的服役性能进行评价。本文的主要结论如下:
　　1.对于实验中采用的细颗粒土来说，当其含水量为18％时，随着冻结时间的延长其冻胀率呈现从快速增长到逐渐稳定趋势，其最终冻胀率为5.39％;在冻结过程中土体内部有水分迁移发生，且土样冷端及最终冻结锋面附近土样含水量变化较大。
　　2.对于实验中采用的粗颗粒土来说，当细颗粒含量为7.9％且最大粒径小于20mm时，在其含水量分别为9.5％、12％和14.5％时，相应的冻胀率分别为0.72％、2.14％和4.14％。
　　3.根据粗颗粒土的冻胀模型实验，当细颗粒含量分别为2.2％、10％、15％和20％时，相应的冻胀率为0.18％、0.66％、1.57％和2.14％;细颗粒含量为2.2％、10％、15％和20％的粗颗粒土在实验前后发生了明显的水分迁移，平均迁移量分别为1.53％、1.55％、、1.60％和、1.63％。
　　4.采用有限元方法对实验中细颗粒土冻结过程中的水热耦合进行了计算，温度场和水分场的计算结果分析表明，其与实验结果较接近。
　　5.根据哈大高铁某段路基的结构特点及工程地质条件，确定了影响其服役性能的指标，在此基础上采用多层次灰色理论评价方法对哈大高铁沈阳至大连某段的路基服役性能进行了评价。分析表明，荷载条件、工程条件和路基填料是影响高速铁路路基服役性能的主要指标。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 土的冻结特性研究现状

1．2．1 冻胀理论国内外研究现状

1．2．2 不同土的冻结特性研究现状

1．3 寒区路基工程冻害

1．3．1 路基冻害类型

1．3．2 路基冻胀机理及影响因素

1．4 本文主要研究内容与方法

1．5 本文研究的技术路线

第二章 细颗粒土的冻结特性实验研究

2．1 土样基本性能指标

2．1．1 颗粒分析实验

2．1．2 土粒比重及界限含水率实验

2．1．3 击实实验

2．1．4 冻结温度实验

2．2 实验内容与方法

2．2．1 实验仪器

2．2．2 实验设计

2．3 实验结果分析

2．3．1 试样温度变化过程分析

2．3．2 试样冻结深度变化过程分析

2．3．3 试样冻胀变形过程分析

2．3．4 试样含水量变化过程分析

2．4 本章小结

第三章 细颗粒土冻结过程的水热耦合数值分析

3．1 冻结时土壤中水热耦合迁移方程

3．1．1 土壤温度场基本方程

3．1．2 水分迁移基本方程

3．1．3 相变动态平衡关系方程

3．2 基于实验的水热耦合数值模拟

3．2．1 数值模拟软件介绍

3．2．2 有限元计算模型的建立

3．2．3 数值模拟结果分析

3．3 本章小结

第四章 粗颗粒土的冻结特性实验研究

4．1 不同含水率条件下的冻胀实验

4．1．1 土样基本性能指标

4．1．2 实验内容与方法

4．2 不同细颗粒含量条件下的冻胀实验

4．2．1 土样基本性能指标

4．2．2 实验内容与方法

4．2．3 实验结果分析

4．3 本章小结

第五章 寒区高速铁路路基工程服役性能评价

5．1 寒区高速铁路路基服役性能影响因素分析

5．1．1 路基填料

5．1．2 工程条件

5．1．3 冻土条件

5．1．4 自然条件

5．1．5 荷载条件

5．2 基于多层次灰色评价理论的综合评价法

5．2．1 基于多层次灰色评价法的评价流程设计

5．2．2 建立评价指标体系

5．2．3 层次分析模型

5．2．4 基于多层次灰色评价法的综合分析模型

5．3 算例

5．3．1 试验段工程概况

5．3．2 服役性能评价过程

5．3．3 结果分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历

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