季节性冻土区高铁混凝土基床结构温度变形特性报告

汇报单位：中国铁道科学研究院2024年7月6日季节性冻土区混凝土基床结构温度-变形特性研究目录绪论温度-变形数值模拟及分析温度-变形防控措施与模拟分析结论与展望12341第一部分绪论季节性冻土区混凝土基床结构温度-变形特性研究绪论温度环境温差大、最低极值气温-40℃、最大冻深2.72米；方法混凝土基床结构地下水位沿线地势低洼，地下水位高，分布有扎龙湿地、龙凤湿地。且50%的路基路堤高度小于3米。可以说是“泡在水里的低路基”结论在我国高铁建设史上属首创哈齐高铁2015年11月28日综合检测车检测结果如下:哈齐高铁上行184.614km处高低检测曲线哈齐高铁下行184.612km处高低检测曲线2015年11月28日综合检测车检测发现哈齐高铁部分路基段连续出现波长均在20m左右，动态峰值在3～5mm（大部分3～4mm）间高低病害，上、下行共计20段/延长48.814km。且病害集中出现在混凝土基床路基地段。因2015年七月才试运营，因此暂不考虑列车荷载对混凝土基床的影响，主要研究季冻区高铁混凝土基床结构温度-变形特性。绪论哈齐高铁

京沈铁路客运专线辽宁段，该段主要包括孔隙

潜水、基岩裂隙水、裂隙岩溶水、雨冰雪水。

按对铁路工程影响的气候分区，辽宁省域范围

内均属于寒冷地区，最大冻深1.67m。

环境条件与哈齐高铁类似，极易出现路基不均

匀冻胀导致线路不平顺或方向不良等冻害及基

床下沉等病害。绪论京沈高铁保温法设置隔热层，增大热阻化学加固法注浆物理化学法路基土改良排水隔水法降低地下水位、隔断外水补给、排除地表水排水法：扩大路基边沟，截水沟，砂桩隔水法：透水性隔水层，如砂砾、碎石炉渣等；不透水隔水层，如油毡+沥青、沥青与土拌合、不透水膜料等绪论京沈高铁n毛细管作用、结晶力作用n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n解释不连续冰透镜是如何形成的，正确评估了细颗粒土中的冻胀压力绪论路基土冻胀冻结缘理论毛细理论冻土水分迁移假说n冻土分类分级及防冻害措施一系列实验研究现状n冻结不膨胀的有机溶液中也会发生冻融破坏，由于混凝土孔溶液含有Na+、K+、Ca+等盐类，大孔中的部分溶液先结冰，未冻溶液中的盐的浓度上升，与周围较小的孔隙中的溶液之间存在了浓度差。这个浓度差的存在使小孔中的溶液向已经冻结的大孔迁移。n多孔材料超过临界饱水度值，只一次冻融循环便会产生裂纹或者破坏。绪论混凝土冻胀n孔隙水冻结膨胀，迫使未冻水从结冰区渗透水泥浆体结构向外迁移，在此期间需要克服粘滞阻力，从而产生静水压力，形成破坏应力静水压假说渗透压假说临界饱水度假说研究现状绪论冻融－渗流－土性等多因素耦合作用与互馈效应应用刚起步缺乏必要研究技术问题一技术问题二高铁路基混凝土基床温度变形特性与病害控制两大技术问题混凝土基床温度变形特性复杂环境与场地条件下高铁路基混凝土基床病害产生主要原因病害防控技术制约高速铁路路基混凝土基床应用技术问题2第二部分温度-变形数值模拟及分析季节性冻土区混凝土基床结构温度-变形特性研究温度-变形数值模拟及分析纵断面示意图混凝土基床结构概况目前，研究寒区高速铁路路基季节性冻胀的主要方法包括：大型模型试验、单元体试验、现场监测和理论分析（如有限元法）等研究方法。鉴于此，本文采用理论分析与数值模拟相结合的研究思路，密切结合我国寒区高铁建设发展的急切需要，对哈齐高铁混凝土基床路基地段进行现场监测，并合理考虑混凝土结构冻融破坏机理，提出季冻区高铁混凝土基床结构温度-变形特性分析模型与预测技术，以定量评价季冻区温度的周期性变化对高铁混凝土基床结构温度-变形特性的影响。主要内容如下：高铁混凝土基床路基地段现场监测及数值分析PARTONEPARTTWOPARTTHREE应用abaqus进行季冻区高铁混凝土基床结构温度-变形特性数值模拟通过数值模拟的方式，研究加设保温板对混凝土基床冻害的处理效果。温度-变形数值模拟及分析数值模拟思路应力场n对于多孔体系有：

力学平衡微分方程为：

则在无荷载的情况下：

n

假定混凝土三个方向导热系数相同，则瞬态热分析控制微分方程为：

多孔体系内渗流场温度场温度-变形数值模拟及分析数值模型控制方程世界最远的距离不是树与树的距离而是同根生长的树枝却无法在风中相依世界上最远的距离不是树枝无法相依而是相互了望的星星却没有交汇的轨迹世界上最远的距离不是星星之间的轨迹而是纵然轨迹交汇却在转瞬间无处寻觅世界上最远的距离不是瞬间无处寻觅而是尚未相遇便注定无法相聚世界上最远的距离是鱼与飞鸟的距离一个在天一个却深潜水底@点击添加文本数值模型正确性检验大庆K149.490处混凝土基床变形监测曲线大庆K149.490处混凝土基床变形计算曲线温度-变形数值模拟及分析世界最远的距离不是树与树的距离而是同根生长的树枝却无法在风中相依世界上最远的距离不是树枝无法相依而是相互了望的星星却没有交汇的轨迹世界上最远的距离不是星星之间的轨迹而是纵然轨迹交汇却在转瞬间无处寻觅世界上最远的距离不是瞬间无处寻觅而是尚未相遇便注定无法相聚世界上最远的距离是鱼与飞鸟的距离一个在天一个却深潜水底@点击添加文本不同混凝土强度等级影响混凝土强度等级的改变对基床变形影响较小；不同集料、不同灰水比对混凝土线膨胀系数影响较大，应设计试验获得准确的参数进行数值计算分析。重要认识天然土体普通填料混凝土基床基床中点边缘中点边缘中点基床中点温度-变形数值模拟及分析世界最远的距离不是树与树的距离而是同根生长的树枝却无法在风中相依世界上最远的距离不是树枝无法相依而是相互了望的星星却没有交汇的轨迹世界上最远的距离不是星星之间的轨迹而是纵然轨迹交汇却在转瞬间无处寻觅世界上最远的距离不是瞬间无处寻觅而是尚未相遇便注定无法相聚世界上最远的距离是鱼与飞鸟的距离一个在天一个却深潜水底@点击添加文本不同路基填料的影响基床中点边缘中点混凝土基床四周填筑材料对基床冻胀变形有较大影响；防冻胀填料能有效改变路基传热特性，进而减小路基冻胀变形。重要认识防冻胀填料普通填料温度-变形数值模拟及分析世界最远的距离不是树与树的距离而是同根生长的树枝却无法在风中相依世界上最远的距离不是树枝无法相依而是相互了望的星星却没有交汇的轨迹世界上最远的距离不是星星之间的轨迹而是纵然轨迹交汇却在转瞬间无处寻觅世界上最远的距离不是瞬间无处寻觅而是尚未相遇便注定无法相聚世界上最远的距离是鱼与飞鸟的距离一个在天一个却深潜水底@点击添加文本不同混凝土板尺寸的影响哈齐高速铁路京沈高速铁路边缘中点基床中点20m10m温度-变形数值模拟及分析3第三部分温度-变形防控措施与模拟分析季节性冻土区混凝土基床结构温度-变形特性研究防控措施与模拟分析保温层材料参数：保温材料密度(kg/m3)导热系数(w/m·k)比热(J/kg·°C)XPS保温板300.0285346防控模拟工况：序号保温材料厚度(cm)1XPS保温板52XPS保温板10防控模拟工况：防控成效模拟结果（温度场）：防控措施与模拟分析图a.无保温板11月3日温度场云图图b.加设5cm保温板11月3日温度场云图图c.加设10cm保温板11月3日温度场云图小结：加设保温板可以改良混凝土基床的温度场，使其均匀，不易发生不均匀变形，且保温板厚度与改良效果呈正相关关系4第四部分结论与展望季节性冻土区混凝土基床结构温度-变形特性研