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攻读硕士学位研究生选题报告及论文工作计划研究生______学号___论文题目石太客专路基冻害原因分析与整治措施研究专业_____交通运输工程_____________研究方向____轨道交通综合技术与交通信息化___指导教师______________职称____教授____入学日期_________2010.9_____________________选题报告日期___________2011.10_____________________一题目石太客专路基冻害原因分析与整治措施研究二研究背景石(家庄)太(原)客运专线于2005年6月11日开始动工，2009年1月1日正式建成通车，正线线路全长189.93公里，其中河北省境内59.97公里，山西省境内129.95公里，区间新建井陉北、阳泉北及东陵井3个车站。全线采用双线、全封闭、全立交设计，目标时速为250公里，目前商业运行的最高平均速度（2010年）约205公里/小时，除隧道内采用无砟轨道结构外，其他线段采用有砟结构。作为连接河北与山西的重要客运通道，实现了石家庄至太原之间的1小时到达，对于促进两地间的交流起到了重大作用。但自2009年建成通车以来，连续两年都观测到了非常严重的冻害现象，共有100多处不同程度的冻胀现象，最严重的有45mm，主要集中在阳泉段的15公里范围内，此地海拔较高冬季最低温度可达零下30°左右，这样严重的冻胀直接威胁到列车的行驶安全以及客运专线的舒适、快捷的优势，对此石家庄工务段根据各处冻胀情况的不同分别采取了更换钢轨轨底橡胶垫片以及路基放坡的措施以保证轨道结构平顺的要求，并且在春融时又需要反向作业，再次进行更换轨底胶垫以及路基坡度调整等工作，尽管花费了大量的人力物力进行轨道线形的调整，仍无法及时有效地控制冻胀的发生，以致在冬季冻胀时间段内，列车需要限速200km/h行驶，自2010年起石家庄工务段开始采用盐渍化和注浆改良地基土等方法进行冻胀的处理，但由于缺乏实际经验，目前的治理措施还停留在实验阶段。三研究现状有关冻土的研究是在寒区经济发展的生产实践中产生和发展起来的。由于在冻土区的工程建设，产生了一系列关于冻土的问题，需要科学工作者研究土的冻结和融化规律、冻土的发育和分布规律以及在人为影响下冻土的变化，并在此基础上，提出经济合理、技术先进的治理方案，有效的防止和控制冻害，于是产生了冻土学，冻土学在其形成初期（20世纪30年代），就分为普通冻土学和工程冻土学两个分支。普通冻土学研究冻土带的形成、发展历史和分布规律，冻土层的成分、性质、组构，冷生过程和现象，以及冻土带的温度动态和厚度等；工程冻土学研究在人类经济活动下冻土的行为、性质及其控制，工程冻土学以普通冻土学为基础1。3.1国外研究现状由于地缘条件的关系，路基土的冻胀问题首先在前苏联发展成为一门专门的学科，早在16世纪，文献中已出现有关西伯利亚和北美有冻土存在的报道。M．B．罗蒙诺索夫曾发表“冻土地”的科学综述（1757年），对“冻土地”的形成及其与气候、地形的关系提出看法。19世纪上半叶，就已初步获得了西伯利亚冻土层的温度、厚度、埋藏条件和分布情况的资料，但是，真正和工程联系起来去研究，还是19世纪30年代以后前苏联在远东多年冻土地区修建第一条铁路开始的，特别是西伯利亚铁路的修建，随着在冻土地区修筑铁路等工程，暴露出许多冻害问题，前苏联及美欧学者开始对冻融现象、机理进行许多科学试验和系统的理论研究，投入大量人力物力，极大地推动了冻土研究。前苏联在该领域一直处于领先地位。早在1885年俄国工程师斯图金伯格提出了冻土水分迁移假说，将毛细管的作用导致水分迁移，与土体冻胀相联系，人们才认识到水份迁移是导致土体冻胀的主要根源。1916年美国人泰伯提出水分迁移是由结晶力作用下移动的，而在土中有被水填充的不同直径的孔隙存在时，则大孔隙中先形成冰晶体，而小孔隙中小冰晶体还没冻结（冰晶体直径越小，融解温度越低），在结晶力作用下，从没有结冰的小孔隙吸取水分，使大孔隙冰晶体不断地增大，冻胀产生2。30年代后期美国学者贝斯考，通过观察冰的形成过程，认为在自然条件下，土的分散性和毛细管作用紧密相关，而在水分迁移过程中，土的分散性是通过毛细管作用表现出来的，提出了将毛细3管水上升高度作为冻胀性评价的指标，与地下水、土粒的性质综合起来评价土的冻胀。1958年另一位美国科学家居密克斯在对冻土中水分迁移机理的论述中，认为按照土的孔隙率，冻结时土中水分迁移借助于薄膜机构、毛细管机构、蒸汽机构同时进行作用。而最有效的途径是由毛细管—薄膜机构，来为冻土带中生长起来的冰晶提供水分补给3。1961年，Everett首先根据毛细理论（capillarytheory）分别对冻胀和冻胀力进行定量解释和估计，毛细理论被称为第一冻胀理论4。然而，毛细理论却不能解释不连续冰透镜是如何形成的，并且该理论低估了细颗粒土中的冻胀压力5。认识到毛细理论的不足，1972年，Miller提出在冻结锋面和最暖冰透镜底面存在一个低含水量、低导湿率和无冻胀的带，称为冻结缘（frozenfringe）。冻结缘理论克服了毛细理论的不足，得到广大学者的认可，称为第二冻胀理论67。1973年，前苏联的崔托维奇《冻土力学》一书出版，系统地论述了冻土力学的试验、理论和实际应用，标志着冻土研究这个领域进入了新的发展阶段8。在冻胀模型方面，1973年，Harlan首先提出正冻土水热输运耦合模型，该模型是建立在部分已冻土的未冻水运移与非饱和土的水分运移类似的基础之上，是一种水动力学模型，没有讨论不连续透镜体的形成，也不考虑外部荷载，只是假设当含冰量达到临界值时才会发生冻胀9。关于冻融土基本物理性质的研究，1979年,Chambelain10等通过研究发现，细粒土经冻融后土的孔隙比减小，但土的渗透性增强，土的塑性指数增大；1990年Zimmie11等也指出，经过冻融后土体的渗透性会比开始大1～2个数量级；1996年Eigenbrod12认为冻融后土体的体积随冻融循环次数的增加而增大，但逐渐趋于稳定。在1997年“国际地层冻结和冻结作用研讨会”上，日本学者YoshikiMiyata基于水分迁移、热量运输和机械能平衡方程，提出宏观冻胀理论。认为冻结缘可分为两个带：次冷带和平衡带，次冷带包含冰透镜体形成锋面，有冰分凝；平衡带包含冻结锋面，只有原位冻结13。在2000年“国际地层冻结和冻结作用”会议上14，Cames-Pintaux在分析道路冻结过程时，对热参数的影响范围及其各参数之间的相互作用进行了定量计算，发现导热系数及含水量是非常重要的两个参数，对流交换系数及初始稳定状况在路基水热性质随气候变化中起到重要作用。2002年，基于冻融土室内试验进行的力学性质研究，学者Simonse15等研究发现，冻融后土的模量会降低25%～60%。在2003年第八届国际冻土大会上，俄罗斯学者V.Ulitsky认为俄罗斯铁路路基变形主要表现为冻胀和融陷，并运用泡沫聚苯乙烯材料作为保温层以减少路基变形，保持路基稳定16。3.2国内研究现状我国对冻胀的研究从20世纪50年代末期开始，随着经济建设的飞速发展，随之带来冻害的发生，而逐渐重视该领域的研究，经过冻土研究工作者半个多世纪的努力，取得了丰硕的成果。50年代末主要是通过对野外道路的实际调查及室内冻胀实验分析破坏原因，并提出了加强保温与选择好填料两大措施，加强了冻胀、融沉、冰锥、沼泽、湿地等病害地段路基加固与防护（铁道部工程设计院1958）。60年代，中国的冻胀研究先后在中国科学院兰州冰川冻土研究所与公路、水利、工民建等部门研究所和设计院及大专院校中开展起来，分别在东北、华北、西北和青藏高原建立冻土观测场数十个，开展冻胀观测和试验。1965年在全国道路冻害防治会议上，交通部研究院等单位针对不同道路的水文条件类型，提出了路基水分集聚计算公式，总结了灰土垫层，石灰与砂桩在改善路基水温状态，减少道路冻害方面取得的成功经验17。70年代初期，根据青藏公路、铁路的建设、运营与科研实践，总结提出了我国第一部冻土地区铁路勘测设计文件18，东北地区也对多年冻土与翻浆冻害地区的公路设计做出了规范性规定。1981年，吴紫汪等发表了“土的冻胀试验研究”，对土的冻胀机制，动力与变化规律等进行研究，为道路工程的冻胀成因，分类和病害防治措施的制定提供了理论依据。在此基础上，科研人员对土体冻胀引发路基病害的原因进行了深入的试验研究分析，对各种影响因素与冻胀之间的关系提4出了不少经验公式，并给出冻胀分类方案。分析了粒度成分对冻胀的影响，提出以12%粉粘粒含量作为使饱水条件粗粒土冻胀率产生飞跃的临界值，并可作为分类界限。即粉粘粒含量小于12%时，冻胀率不大于2%，而粉粘粒含量大于12%时，冻胀率显著增大19。1983年，孔庆铨20发表“素混凝土般衬砌渠道地基冻胀土壤的分级及防冻害措施”，提出了不同土质条件下地下水埋深对冻胀影响的定量关系图。又通过分析观测的数据资料，给出不同土质的冻胀率经验公式。1983年，陈肖柏等21发表“冻结速率与超载应力对冻胀的作用”。提出任何地基土都要承受上覆荷载的作用，因此必须考虑超载对冻胀性的影响，通过冻胀观测场地研究了荷载对冻胀的抑制作用，提出了经验公式。1988年，朱强、付思宁等发表“论季节冻土的冻胀沿冻深分布”，根据甘肃省1979年以来的渠道冻胀试验成果,得出了4种冻胀沿深度分布的类型及其与地下水位和土质条件的关系22。1994年，戴惠民、乐鹏飞等发表了季冻区公路路基土冻胀性研究一文，该文提供了大量的现场试验资料和室内模拟资料，提出了粉性土路基冻胀模型及其临界高度，并对冻胀类型进行分类23。2001年，张建明、吴青柏、童长江等发表了一篇题为《公路工程冻土类型划分研究》的论文，在总结分析国内外已有冻土分类方案的基础上,针对中国现行公路工程冻土分类标准中存在的不足之处,结合目前对青藏公路沿线多年冻土研究的最新成果,提出了以多年冻土含冰特征与多年冻土年平均地温的综合指标—冻土热稳定性为基础的公路工程冻土类型划分方案,并对所划分出的三种冻土类型给出了相应的冻土路基设计原则。2002年，郑秀清等著的《水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动》一书以大量的室内外试验资料为基础，系统分析了土壤的季节性冻结和融化规律、冻融土壤水分入渗的基本特性、阻渗机理及主要影响因素，建立了冻土入渗参数预报模型24。2004年南京林业大学利用人工冻结对淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土开放和封闭系统冻胀试验，研究了冷端温度、含水率、干密度、上部荷载四个因素对冻胀率的影响规律25。西南交通大学围绕模拟冻结锋面的冻土模型进行分析，基于弹性理论对路基在冻胀和融沉时的的应力场进行了数值分析2627。东北林业大学分析了季节性冻土冻胀性影响因素，探讨了季节性冻土切向冻胀力和冻胀性的关系28。2006年，吉林大学李向群博士对季冻区公路冻害进行了调查研究，并从设计、施工、养护等方面提出了详尽的防治措施29。2007年，吉林大学谷宪明博士的毕业论文中，对季冻区公路路基冻胀翻浆及整治措施进行了较详细的分析30。四研究内容铁路路基是铁路结构的重要组成部分，路基的强度和稳定性是铁路正常使用的基本条件。但由于一些原因（设计、施工、填料以及技术等方面），我国既有铁路线存在大量形式各异的路基病害,对行车的稳定性和舒适性影响较大。石太客专阳泉段的路基病害主要表现为冬季的不均匀冻胀和春融时的下沉（春融下沉可作为冻胀的次生病害），因此本文主要是结合石家庄工务段对路基冻害的整治，以石太客专阳泉段目前存在的各种路基冻害为研究对象进行调查与试验研究，分析华北太行山区季冻区铁路路基冻害的特点，并重点从冻害形成的机理出发，研究产生基床冻害的四大主要原因，即土质、水、温度和列车荷载。从铁路养护角度看，温度和列车荷载是普遍存在不可改变的，而土质和水是可以改变的。而不良的土质和过大的含水量正是导致各种路基冻害发生的直接原因。由于不同的土质和含水量导致的冻害类型及严重程度各不相同，采取的整治措施差异性也较大,因此，要想彻底整治冻害，就必须先弄清冻