我國高速鐵路發(fā)展取得的成就舉世矚目。到2020年底,高速鐵路運營里程將超過38000km,占世界高速鐵路運營里程的2/3,最高商業(yè)運營速度達到350km/h,位居世界第一。其中,季節(jié)凍土區(qū)(以下稱“季凍區(qū)”)高速鐵路運營里程超過8000km。地處嚴寒季凍區(qū)的哈大高速鐵路,冬季商業(yè)運營速度最高達到300km/h,成為世界上季凍區(qū)商業(yè)運營速度最高的鐵路。我國季凍區(qū)高速鐵路建設(shè)運營一個重要的成功經(jīng)驗是全面、系統(tǒng)地應(yīng)用了無砟軌道,這不僅解決了季凍區(qū)嚴酷環(huán)境下有砟軌道平穩(wěn)性差、維修工作量大、道砟二次飛濺等問題,更重要的是消除了有砟軌道冬季道床凍脹對軌道不平順的影響,為高速列車安全、平穩(wěn)運行提供了保障。
季凍區(qū)高速鐵路無砟軌道的應(yīng)用需要解決兩大關(guān)鍵核心技術(shù)問題。一是路基的溫度效應(yīng)問題,表現(xiàn)為年復(fù)一年的冬季凍脹上拱、春季融化沉落,導(dǎo)致線路高程的循環(huán)變化,影響無砟軌道的高平順性和強度安全性。二是無砟軌道的溫度效應(yīng)問題,表現(xiàn)為夏季超大的日溫差下軌道板強烈的循環(huán)翹曲變形、超大的年溫差下無砟軌道的伸縮變形,以及冬季極低溫度下材料的凍融損傷,影響無砟軌道結(jié)構(gòu)的強度安全性、變形穩(wěn)定性和材料耐久性。
季凍區(qū)路基溫度效應(yīng)問題在普速鐵路上十分突出,我國東北地區(qū)最冷月平均氣溫可達-20℃以下,普速鐵路路基冬季凍脹量可達到50mm以上,春季翻漿冒泥問題嚴重。季凍區(qū)無砟軌道溫度效應(yīng)問題最為典型的是日本東北新干線,由于板式無砟軌道采用非抗凍的CA砂漿,1987—1988年對數(shù)百千米的線路進行了整治。筆者在2001年參與組織秦沈客運專線綜合試驗時開始關(guān)注季凍區(qū)高速鐵路溫度效應(yīng)問題,特別是線路開通運營以后,無砟軌道試驗段CA砂漿充填層出現(xiàn)了日本東北新干線類似的傷損,路基凍脹量最大達到20mm以上,對高速鐵路運營安全和效率產(chǎn)生了嚴重影響。隨著我國高速鐵路建設(shè)規(guī)模的快速擴大,無砟軌道鋪設(shè)范圍越來越廣,結(jié)構(gòu)傷損及材料劣化問題相繼出現(xiàn),其中基礎(chǔ)變形荷載與溫度荷載效應(yīng)更為突出,成為影響無砟軌道平穩(wěn)性的主要因素。為此,筆者開始將研究重點向無砟軌道與基礎(chǔ)的相互作用聚焦,構(gòu)建了基礎(chǔ)變形傳遞模型,提出了高速鐵路無砟軌道和路基多層結(jié)構(gòu)變形調(diào)控理論;組織了全國各溫度區(qū)無砟軌道溫度場及溫度效應(yīng)現(xiàn)場測試,提出了我國高速鐵路無砟軌道溫度分區(qū)及溫度荷載特征值,揭示了無砟軌道層間黏結(jié)失效機理,構(gòu)建了無砟軌道溫度效應(yīng)控制技術(shù)體系。2012年,世界上嚴寒季凍區(qū)第一條高速鐵路——哈大高速鐵路開通運營,由于缺乏嚴寒季凍區(qū)運營經(jīng)驗,采取冬季運營速度200km/h、夏季運營速度300km/h的冬夏兩種速度的運輸方式以確保運營安全。為掌握嚴寒季凍區(qū)高速鐵路運營安全規(guī)律,筆者及研究團隊持續(xù)開展科技攻關(guān),進一步揭示了季凍區(qū)高速鐵路溫度場特征、路基和無砟軌道溫度變形機理及其效應(yīng),研究成果支撐哈大高速鐵路冬季以300km/h的速度運營,并在哈齊、沈丹、哈牡、哈佳、京張、京沈、蘭新等高速鐵路建設(shè)與運營中得到推廣應(yīng)用。
本書是近20年來研究成果的總結(jié)。全書共分6章,介紹了我國季凍區(qū)高速鐵路路基和無砟軌道的溫度效應(yīng),以及高速鐵路無砟軌道平穩(wěn)性保持技術(shù)。
在冬季路基溫度效應(yīng)方面,探明了嚴寒季凍區(qū)高速鐵路路基凍脹變形時空分布規(guī)律,試驗發(fā)現(xiàn)了粗粒土填料中細顆粒呈簇團分布的特點,揭示了高速鐵路路基細顆粒簇團凍脹機理;解析了路基凍脹變形與無砟軌道平穩(wěn)性的映射關(guān)系,提出了高速鐵路無砟軌道路基凍脹效應(yīng)控制的技術(shù)路線,研發(fā)了基于細顆粒簇團控制的透水型和防水型路基防凍脹結(jié)構(gòu)及混凝土基床結(jié)構(gòu),形成了高速鐵路路基凍脹控制成套技術(shù)。
在夏季無砟軌道溫度效應(yīng)方面,探明了嚴寒季凍區(qū)無砟道床夏季表面溫度波動劇烈、正負溫度梯度最大的一般規(guī)律,提出了季凍區(qū)整體溫度、溫度梯度等溫度場特征值、建議值;解析了單元無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度位移對無縫線路鋼軌受力的影響規(guī)律,提出了季凍區(qū)無砟軌道溫度效應(yīng)的控制措施。
在無砟軌道平穩(wěn)性保持技術(shù)方面,闡述了軌道不平順、結(jié)構(gòu)效應(yīng)和材料耐久性控制機理與技術(shù),發(fā)現(xiàn)了季凍區(qū)無砟軌道平順性變化以高低不平順產(chǎn)生與發(fā)展為特征、以軌道板和底座板長度為周期的變化特點,構(gòu)建了不平順檢測技術(shù)體系,提出了精準監(jiān)測基礎(chǔ)上的適度平順維護技術(shù);闡釋了離縫條件下軌道結(jié)構(gòu)的受力特征及動力響應(yīng),揭示了板下離縫檢測機理,研發(fā)了離縫檢測技術(shù);揭示了通過提升材料的密實性和均質(zhì)性提高抗凍性能的機理,構(gòu)建了以自密實混凝土、CA砂漿抗凍技術(shù)為核心的季凍區(qū)高速鐵路無砟軌道抗凍技術(shù)體系。
在高速鐵路無砟軌道平穩(wěn)性研究過程中,中國鐵道科學(xué)研究院江成研究員、蔡德鉤研究員、姜子清研究員、李化建研究員、趙磊副研究員、徐旸博士,中鐵第四勘察設(shè)計院孫立教授級高工、王森榮教授級高工,北京交通大學(xué)高亮教授、蔡小培教授,西南交通大學(xué)劉鈺博士,東南大學(xué)蔣金洋教授,中國國家鐵路集團楊國濤正高級工程師、劉俊飛博士,以及研究團隊的其他專家、學(xué)者為研究成果的取得付出了辛勤勞動和智慧,在此一并表示感謝。在本書介紹的成果中,蔣金洋協(xié)助完成了粗粒土的微觀結(jié)構(gòu)試驗,徐旸協(xié)助完成了細顆粒簇團凍脹的計算,趙磊和劉鈺協(xié)助完成了無砟軌道溫度效應(yīng)的計算,在此一并表示感謝。
筆者常懷“敬惜字紙”之心,寫作中力求觀點新穎、邏輯嚴密、表述準確,能使讀者開卷有益,奈何力有所不逮、技術(shù)有所不及,謬誤之處敬請批評指正。
作者2020年11月
第1章
1緒論
1.1我國季凍區(qū)分布及氣候特征1
1.1.1我國季節(jié)凍土的分布1
1.1.2我國季凍區(qū)氣候特征3
1.2國內(nèi)外季凍區(qū)高速鐵路5
1.2.1國外季凍區(qū)高速鐵路5
1.2.2國內(nèi)季凍區(qū)高速鐵路10
1.3高速鐵路無砟軌道的應(yīng)用12
1.3.1無砟軌道結(jié)構(gòu)分類12
1.3.2國外高速鐵路無砟軌道12
1.3.3國內(nèi)高速鐵路無砟軌道17
1.4高速鐵路無砟軌道平穩(wěn)性概念20
1.4.1軌道平穩(wěn)性定義20
1.4.2高速鐵路無砟軌道的平順性21
1.4.3高速鐵路無砟軌道的穩(wěn)定性27
1.5高速鐵路無砟軌道平穩(wěn)性控制關(guān)鍵技術(shù)問題29
1.5.1路基溫度效應(yīng)控制關(guān)鍵技術(shù)問題29
1.5.2無砟軌道溫度效應(yīng)控制關(guān)鍵技術(shù)問題31
參考文獻35第2章
36季凍區(qū)高速鐵路路基溫度變形特征及機理
2.1工程概況36
2.1.1地質(zhì)與氣候特點36
2.1.2路基結(jié)構(gòu)形式38
2.1.3路基凍脹的監(jiān)測38
2.2路基溫度場特征40
2.2.1氣溫變化規(guī)律40
2.2.2地溫變化特征42
2.3路基溫度變形規(guī)律44
2.3.1溫度變形經(jīng)時特征44
2.3.2溫度變形的空間分布特征46
2.4路基凍結(jié)深度變化特征50
2.4.1凍結(jié)深度經(jīng)時特征50
2.4.2凍結(jié)深度的空間分布特征51
2.5高速鐵路路基凍脹機理53
2.5.1土體凍脹經(jīng)典理論與模型54
2.5.2粗粒土凍脹研究現(xiàn)狀61
2.5.3高速鐵路路基填料凍脹的微觀結(jié)構(gòu)特征70
2.5.4高速鐵路路基填料凍脹機理分析84
參考文獻96第3章
100季凍區(qū)高速鐵路路基凍脹效應(yīng)及其控制
3.1無砟軌道路基凍脹變形傳遞模型100
3.2路基凍脹變形對無砟軌道的影響102
3.2.1CRTS Ⅰ型板式無砟軌道受力特征102
3.2.2CRTS Ⅲ型板式無砟軌道受力特征108
3.2.3雙塊式無砟軌道受力特征114
3.3季凍區(qū)無砟軌道平穩(wěn)性控制技術(shù)117
3.3.1路基凍脹變形影響的一般規(guī)律117
3.3.2路基凍脹效應(yīng)控制技術(shù)路線118
3.4高速鐵路路基凍脹控制技術(shù)122
3.4.1透水型路基基床級配碎石122
3.4.2防水型路基防凍脹結(jié)構(gòu)127
3.4.3混凝土基床結(jié)構(gòu)134
3.5防凍脹路基結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場試驗136
3.5.1哈齊高速鐵路試驗段136
3.5.2透水型級配碎石的制備及施工138
3.5.3瀝青混凝土封閉層施工工藝138
3.5.4現(xiàn)場試驗結(jié)果及分析146
參考文獻149第4章
150季凍區(qū)高速鐵路無砟軌道溫度場特征
4.1國內(nèi)外混凝土結(jié)構(gòu)溫度場研究現(xiàn)狀150
4.1.1國外研究現(xiàn)狀151
4.1.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀154
4.2無砟軌道溫度場研究方法160
4.2.1現(xiàn)場測試方法160
4.2.2仿真計算方法166
4.3無砟軌道溫度場監(jiān)測結(jié)果及分析170
4.3.1無砟軌道整體溫度171
4.3.2無砟軌道溫度梯度178
4.4無砟軌道溫度場計算結(jié)果及分析180
4.4.1無砟軌道整體溫度場180
4.4.2無砟軌道溫度梯度182
4.5季凍區(qū)無砟軌道溫度場特征值184
參考文獻185第5章
187季凍區(qū)高速鐵路無砟軌道溫度效應(yīng)及其控制
5.1無砟軌道溫度效應(yīng)計算方法187
5.1.1溫度效應(yīng)計算模型187
5.1.2溫度變形和應(yīng)力計算方法189
5.2CRTS Ⅰ型板式無砟軌道溫度效應(yīng)191
5.2.1軌道板翹曲變形191
5.2.2軌道板翹曲應(yīng)力195
5.2.3鋼軌溫度效應(yīng)199
5.2.4季凍區(qū)CRTS Ⅰ型板式無砟軌道適應(yīng)性205
5.3CRTS Ⅲ型板式無砟軌道溫度效應(yīng)206
5.3.1軌道板翹曲變形206
5.3.2軌道板翹曲應(yīng)力209
5.3.3鋼軌溫度效應(yīng)214
5.3.4季凍區(qū)CRTS Ⅲ型板式無砟軌道適應(yīng)性219
5.4季凍區(qū)無砟軌道溫度效應(yīng)的控制219
5.4.1單元式無砟軌道219
5.4.2底座板合理長度222
5.4.3預(yù)應(yīng)力軌道板223
5.4.4隔離層合理剛度226
參考文獻229第6章
231季凍區(qū)高速鐵路無砟軌道平穩(wěn)性保持技術(shù)
6.1季凍區(qū)無砟軌道平順性保持技術(shù)231
6.1.1軌道不平順特征231
6.1.2軌道不平順檢測技術(shù)237
6.1.3軌道適度平順性維護技術(shù)252
6.2無砟軌道離縫效應(yīng)及控制技術(shù)255
6.2.1離縫效應(yīng)試驗結(jié)果及分析255
6.2.2試驗工況的離縫效應(yīng)計算結(jié)果及分析262
6.2.3離縫檢測技術(shù)269
6.3季凍區(qū)無砟軌道材料劣化及控制技術(shù)279
6.3.1混凝土凍融破壞機理280
6.3.2混凝土凍融破壞的影響因素281
6.3.3混凝土抗凍性指標283
6.3.4板下充填層抗凍技術(shù)285
參考文獻291