極端氣溫下季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基凍融特性及應(yīng)對(duì)策略探究

極端氣溫下季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基凍融特性及應(yīng)對(duì)策略探究一、引言1.1研究背景與意義隨著我國高速鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，越來越多的線路穿越季節(jié)性凍土區(qū)。季節(jié)性凍土區(qū)是指冬季凍結(jié)、夏季融化的區(qū)域，其特殊的氣候條件和地質(zhì)環(huán)境給高速鐵路路基的穩(wěn)定性帶來了巨大挑戰(zhàn)。在極端氣溫條件下，季節(jié)性凍土區(qū)的路基土體經(jīng)歷著更為劇烈的凍融循環(huán)作用，這使得路基的凍融特性變得極為復(fù)雜。極端氣溫對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)高鐵路基的影響是多方面的。在寒冷的冬季，當(dāng)氣溫急劇下降時(shí)，路基土體中的水分會(huì)迅速凍結(jié)成冰，導(dǎo)致土體體積膨脹，產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。凍脹會(huì)使路基表面出現(xiàn)隆起、開裂等病害，嚴(yán)重影響軌道的平順性和穩(wěn)定性。而在炎熱的夏季，氣溫升高，凍土融化，土體體積收縮，引發(fā)融沉。融沉?xí)?dǎo)致路基下沉，軌道幾何尺寸發(fā)生變化，影響列車的運(yùn)行安全。此外，極端氣溫還會(huì)加劇凍融循環(huán)的頻率和強(qiáng)度，加速路基土體的劣化，降低路基的承載能力。哈大高鐵作為世界上首條投入運(yùn)營的新建高寒季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路，在運(yùn)營過程中就面臨著嚴(yán)峻的路基凍脹問題。沿線最冷月平均氣溫在-3.9℃至-23.2℃之間，極端最低溫度達(dá)-39.9℃，最大季節(jié)凍土深度為93-205cm。每年從10月底開始凍結(jié)，次年4-5月全部融化。在這樣的極端氣溫條件下，路基凍脹變形總體可控但仍存在一定風(fēng)險(xiǎn)，凍脹變形主要集中在表層級(jí)配碎石層，較高的路基含水率進(jìn)一步加劇了凍脹變形。研究季節(jié)性凍土區(qū)高鐵路基在極端氣溫下的凍融特性，對(duì)于保障高鐵的安全運(yùn)營具有至關(guān)重要的意義。準(zhǔn)確掌握路基的凍融特性，能夠?yàn)楦哞F軌道的平順性和穩(wěn)定性提供科學(xué)依據(jù)。通過研究?jī)雒浐腿诔恋囊?guī)律，可以提前采取有效的防治措施，減少軌道幾何尺寸的變化，確保列車能夠安全、平穩(wěn)地運(yùn)行。這對(duì)于提高高鐵的運(yùn)營效率和服務(wù)質(zhì)量，增強(qiáng)人們對(duì)高鐵出行的信心具有重要作用。深入了解路基的凍融特性，能夠?yàn)楦咚勹F路的工程建設(shè)提供有力的技術(shù)支持。在工程設(shè)計(jì)階段，可以根據(jù)不同地區(qū)的極端氣溫條件和地質(zhì)情況，合理設(shè)計(jì)路基的結(jié)構(gòu)和材料，提高路基的抗凍融能力。在施工過程中，也可以依據(jù)研究成果制定科學(xué)的施工工藝和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，確保路基的施工質(zhì)量。這不僅有助于提高工程建設(shè)的質(zhì)量和效率，還能降低工程建設(shè)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。研究季節(jié)性凍土區(qū)高鐵路基在極端氣溫下的凍融特性，不僅能夠?yàn)槲覈竟?jié)性凍土區(qū)高速鐵路的建設(shè)和運(yùn)營提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，還能豐富和完善凍土力學(xué)的相關(guān)理論，為其他類似工程的建設(shè)提供參考和借鑒。因此，開展這一研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外對(duì)凍土的研究起步較早，在凍土物理力學(xué)性質(zhì)、凍脹機(jī)理、凍脹預(yù)測(cè)模型等方面取得了較為豐富的研究成果。早在1961年，Everett結(jié)合對(duì)道路和建筑材料凍害的經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)，提出了第一凍脹理論，為凍脹理論的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。此后，眾多學(xué)者圍繞凍土的熱物理性質(zhì)、水分遷移規(guī)律以及凍脹力的產(chǎn)生機(jī)制等方面展開深入研究。在凍土物理力學(xué)性質(zhì)方面，對(duì)凍土的導(dǎo)熱性、熱容量、密度、孔隙比、強(qiáng)度、變形特性和蠕變特性等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，明確了凍土在不同溫度和應(yīng)力條件下的力學(xué)響應(yīng)。在凍脹機(jī)理研究中，深入探討了水分遷移、土體約束和溫度變化等因素對(duì)凍脹形成的影響機(jī)制。同時(shí)，在凍脹預(yù)測(cè)模型方面，不斷改進(jìn)和完善，提高了對(duì)凍脹量的預(yù)測(cè)精度。國內(nèi)對(duì)季節(jié)凍土區(qū)高速鐵路路基溫度場(chǎng)的研究相對(duì)較晚，但近年來發(fā)展迅速。目前，國內(nèi)學(xué)者主要采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法進(jìn)行研究，取得了一系列重要成果。石剛強(qiáng)通過對(duì)哈大高鐵路基凍脹監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析，研究了路基凍脹發(fā)展變化規(guī)律，結(jié)果表明路基凍脹發(fā)展包括初始波動(dòng)、快速發(fā)展、穩(wěn)定維持和融化回落期4個(gè)階段，最大凍結(jié)深度普遍大于標(biāo)準(zhǔn)凍深；凍脹變形總體可控并趨于穩(wěn)定，凍脹變形主要集中在表層級(jí)配碎石層，較高的路基含水率進(jìn)一步加劇了凍脹變形。崔宏環(huán)等利用水泥和粉煤灰改良路基的填料，并通過自制凍融試驗(yàn)裝置模擬填料的凍脹融沉條件，研究改良粗顆粒填料在凍脹融沉過程中的溫度變化、凍脹率和融沉系數(shù)的規(guī)律，結(jié)果表明水泥改良填料和水泥-粉煤灰改良填料均有減小填料導(dǎo)熱和凍深的能力，且粉煤灰會(huì)小幅提升水泥填料的導(dǎo)熱能力；改良填料在任一個(gè)凍融循環(huán)和凍脹階段條件下的凍脹率均小于相同條件下的未改良填料。朱志有等從土體路基、涵頂及橋涵過渡段路基、石質(zhì)路基等方面，討論了季節(jié)性凍土區(qū)引發(fā)路基凍害的主要因素，對(duì)在建鐵路和既有鐵路的路基凍害治理措施研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析與總結(jié)。然而，已有研究仍存在一些不足之處。在極端氣溫條件下，對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)高鐵路基凍融特性的研究還不夠深入，尤其是對(duì)路基土體在極端溫度下的水分遷移規(guī)律、凍脹融沉變形機(jī)制以及路基結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)等方面的研究還存在欠缺。此外，現(xiàn)有研究多側(cè)重于單一因素對(duì)路基凍融特性的影響，而對(duì)于多因素耦合作用下的路基凍融特性研究較少。在實(shí)際工程中，路基凍融特性受到氣溫、降水、土質(zhì)、路基結(jié)構(gòu)和工程措施等多種因素的共同影響，因此，開展多因素耦合作用下的路基凍融特性研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究將針對(duì)已有研究的不足，以極端氣溫下季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析等方法，深入研究路基的凍融特性，揭示極端氣溫下路基凍融循環(huán)過程中的水分遷移規(guī)律、凍脹融沉變形機(jī)制以及路基結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，為季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究將圍繞極端氣溫下季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基凍融特性展開，具體內(nèi)容如下：路基土體物理力學(xué)性質(zhì)研究：對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)路基土體的基本物理性質(zhì)進(jìn)行全面測(cè)試，包括土顆粒組成、密度、含水率、孔隙比等。通過這些測(cè)試，深入了解土體的微觀結(jié)構(gòu)特征，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。開展不同溫度和濕度條件下路基土體的力學(xué)性能試驗(yàn)，如抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量等。分析溫度和濕度對(duì)土體力學(xué)性能的影響規(guī)律，揭示土體在極端氣溫下的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制。路基溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)分布規(guī)律研究：在典型季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路段，合理設(shè)置長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用高精度的溫度傳感器和水分傳感器，對(duì)路基不同深度處的溫度和水分進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)。結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)，分析路基溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)的時(shí)空變化規(guī)律，明確極端氣溫對(duì)路基溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)的影響?；趥鳠釋W(xué)和滲流理論，建立路基溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)耦合模型。通過數(shù)值模擬，深入研究不同邊界條件和參數(shù)對(duì)路基溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)分布的影響，預(yù)測(cè)路基在極端氣溫下的溫度和水分變化趨勢(shì)。路基凍脹融沉變形特性研究：在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合室內(nèi)凍脹融沉試驗(yàn)，研究路基在凍融循環(huán)過程中的變形特性。分析凍脹融沉變形與溫度、水分、土體物理力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，建立凍脹融沉變形預(yù)測(cè)模型。通過數(shù)值模擬，進(jìn)一步研究不同因素對(duì)路基凍脹融沉變形的影響，為路基的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供理論依據(jù)。路基結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)研究：考慮路基土體的凍融特性和列車荷載的作用，建立路基結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型。采用有限元等數(shù)值方法，模擬路基在極端氣溫和列車荷載共同作用下的力學(xué)響應(yīng)，包括應(yīng)力、應(yīng)變分布等。分析路基結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和穩(wěn)定性，評(píng)估極端氣溫對(duì)路基結(jié)構(gòu)的影響程度。路基凍融防治措施研究：基于上述研究成果，提出針對(duì)極端氣溫下季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的凍融防治措施。包括優(yōu)化路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如合理設(shè)置路基高度、坡度和排水系統(tǒng)；選用合適的保溫材料和隔水材料，提高路基的保溫隔熱和隔水性能；采用地基處理技術(shù)，改善地基土的物理力學(xué)性質(zhì)等。對(duì)提出的防治措施進(jìn)行效果評(píng)估，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證防治措施的有效性和可行性，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究?jī)?nèi)容，本研究將綜合運(yùn)用以下研究方法：現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)：在典型季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路段，選擇具有代表性的路基斷面，設(shè)置長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在路基不同深度處埋設(shè)溫度傳感器、水分傳感器、位移傳感器等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路基的溫度、水分、變形等參數(shù)。同時(shí)，收集當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)，包括氣溫、降水、風(fēng)速等，為后續(xù)分析提供數(shù)據(jù)支持。通過長(zhǎng)期連續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲取路基在自然條件下的凍融特性數(shù)據(jù)，真實(shí)反映極端氣溫對(duì)路基的影響。室內(nèi)試驗(yàn)：采集季節(jié)性凍土區(qū)的路基土樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，如顆粒分析、密度測(cè)試、含水率測(cè)試、壓縮試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)等。通過這些試驗(yàn)，獲取土體的基本物理力學(xué)參數(shù)，為數(shù)值模擬和理論分析提供依據(jù)。利用自制的凍融試驗(yàn)裝置，模擬路基在不同溫度和濕度條件下的凍融循環(huán)過程。研究土體在凍融循環(huán)過程中的物理力學(xué)性質(zhì)變化、凍脹融沉變形規(guī)律等。通過室內(nèi)試驗(yàn)，可以控制試驗(yàn)條件，深入研究各因素對(duì)路基凍融特性的影響。數(shù)值模擬：基于傳熱學(xué)、滲流理論和土力學(xué)原理，利用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS等）建立路基溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)、力學(xué)場(chǎng)耦合模型。通過數(shù)值模擬，分析路基在極端氣溫下的溫度分布、水分遷移、凍脹融沉變形以及力學(xué)響應(yīng)等。通過調(diào)整模型參數(shù)，研究不同因素對(duì)路基凍融特性的影響，預(yù)測(cè)路基在不同工況下的性能變化。數(shù)值模擬可以彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)的不足，快速分析多種因素的綜合作用，為路基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論支持。理論分析：結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，運(yùn)用凍土力學(xué)、傳熱學(xué)、滲流理論等相關(guān)知識(shí)，對(duì)路基的凍融特性進(jìn)行理論分析。建立路基凍融過程中的溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)、力學(xué)場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)相關(guān)計(jì)算公式，揭示路基凍融特性的內(nèi)在機(jī)理。通過理論分析，進(jìn)一步深化對(duì)路基凍融現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，為研究成果的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。二、季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基概述2.1季節(jié)性凍土區(qū)分布特征季節(jié)性凍土區(qū)在全球范圍內(nèi)廣泛分布，主要集中在中高緯度地區(qū)以及中低緯度的高山高原地帶。在北半球，季節(jié)性凍土區(qū)從極地向低緯度延伸，包括北美洲的加拿大、美國北部，歐洲的俄羅斯、北歐國家等。在南半球，雖然陸地面積相對(duì)較小，但在南極洲周邊島嶼以及南美洲南端等地也存在季節(jié)性凍土。我國季節(jié)性凍土區(qū)面積廣闊，約占國土面積的53.5%，主要分布于東北三省、內(nèi)蒙古、甘肅、新疆等10余省或自治區(qū)。東北地區(qū)是我國季節(jié)性凍土最為典型的區(qū)域之一，該地區(qū)冬季漫長(zhǎng)而寒冷，夏季短暫且溫暖。受大陸性季風(fēng)氣候影響，冬季受西伯利亞冷空氣控制，氣溫急劇下降，土壤迅速凍結(jié)；夏季則受暖濕氣流影響，氣溫回升，凍土融化。例如，黑龍江省大部分地區(qū)季節(jié)性凍土深度可達(dá)1.5-2.5米，吉林省和遼寧省的季節(jié)性凍土深度相對(duì)較淺，但也在1-1.5米左右。西北地區(qū)的季節(jié)性凍土主要分布在高山和高原地區(qū)，如天山、昆侖山、阿爾泰山等山脈以及青藏高原的部分區(qū)域。這些地區(qū)海拔較高，氣溫隨海拔升高而降低，導(dǎo)致土壤凍結(jié)期長(zhǎng)，融化期短。以天山山脈為例，其季節(jié)性凍土深度可達(dá)2-3米，且凍土的物理力學(xué)性質(zhì)受海拔、坡向、坡度等因素影響顯著。季節(jié)性凍土區(qū)的氣候特點(diǎn)對(duì)鐵路路基有著至關(guān)重要的影響。氣溫的劇烈變化是季節(jié)性凍土區(qū)氣候的顯著特征之一。在冬季，低溫使得路基土體中的水分凍結(jié)成冰，體積膨脹，產(chǎn)生凍脹力。凍脹力會(huì)對(duì)路基結(jié)構(gòu)造成破壞，導(dǎo)致路基表面隆起、開裂，影響軌道的平順性和穩(wěn)定性。而在夏季，氣溫升高，凍土融化，土體體積收縮，引發(fā)融沉現(xiàn)象。融沉?xí)孤坊鲁?，軌道幾何尺寸發(fā)生變化，增加列車運(yùn)行的安全隱患。降水和蒸發(fā)條件也對(duì)路基產(chǎn)生重要影響。在季節(jié)性凍土區(qū)，降水主要集中在夏季，大量的降水會(huì)增加路基土體的含水量。當(dāng)土體含水量過高時(shí)，在凍結(jié)過程中會(huì)形成更多的冰晶體，加劇凍脹現(xiàn)象。此外，降水還可能導(dǎo)致路基邊坡的沖刷和坍塌，影響路基的整體穩(wěn)定性。而蒸發(fā)則會(huì)使土體中的水分散失，改變土體的濕度狀態(tài)，進(jìn)而影響土體的物理力學(xué)性質(zhì)。風(fēng)的作用同樣不可忽視。在季節(jié)性凍土區(qū)，冬季風(fēng)力較大，強(qiáng)風(fēng)會(huì)加速路基表面的熱量散失，使土體凍結(jié)速度加快，凍脹作用增強(qiáng)。同時(shí)，風(fēng)還可能攜帶沙塵等物質(zhì)，對(duì)路基表面造成侵蝕，降低路基的耐久性。2.2高速鐵路路基結(jié)構(gòu)與材料高速鐵路路基是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，主要由路基本體、基床和路基附屬設(shè)施等部分組成。路基本體是路基的主體部分，承受著軌道和列車的荷載，并將荷載傳遞至地基。根據(jù)地形和填筑方式的不同，路基本體可分為路堤、路塹、半路堤、半路塹和不填不挖路基等形式。路堤是在原地面上用土、石等材料填筑而成的路基，高于原地面；路塹則是通過挖掘原地面形成的路基，路基設(shè)計(jì)標(biāo)高低于地面標(biāo)高。基床是路基本體中直接承受列車荷載和環(huán)境作用的部分，對(duì)路基的穩(wěn)定性和耐久性起著關(guān)鍵作用?；灿挚杉?xì)分為基床表層和基床底層?；脖韺邮擒壍赖闹苯踊A(chǔ)，其主要作用包括增加線路強(qiáng)度，使路基更加堅(jiān)固、穩(wěn)定，并具有一定的剛度，確保列車通過時(shí)的彈性變形控制在一定范圍內(nèi)；擴(kuò)散作用到基床底層頂面上的動(dòng)應(yīng)力，使其不超出基床底層填料的臨界動(dòng)應(yīng)力；防止道砟壓入基床及基床土進(jìn)入道砟層；防止雨水浸入基床使基床土軟化，避免發(fā)生翻漿冒泥等基床病害，并保證基床肩部表面不被雨水沖刷；在季節(jié)性凍土區(qū)，還起到防凍的作用。有砟軌道基床表層厚度通常為0.7m，無砟軌道路基表層厚度為0.4m，與無砟軌道的混凝土支承層或混凝土底座的總厚度不應(yīng)小于0.7m?；驳讓觿t主要承受基床表層傳遞的荷載，并進(jìn)一步將荷載擴(kuò)散到地基中，其厚度一般為2.3m。路基附屬設(shè)施包括路基排水設(shè)備、路基防護(hù)和加固建筑等。路基排水設(shè)備用于排除地表水和地下水，防止水分對(duì)路基的侵蝕和破壞，確保路基的穩(wěn)定性。常見的排水設(shè)備有地面排水設(shè)施，如排水溝、截水溝等，用于匯集地表雨水并引到路基以外；地下排水設(shè)施，如盲溝、滲溝等，用于截?cái)?、疏?dǎo)地下水，排出路基。路基防護(hù)和加固建筑則用于保護(hù)路基邊坡和基底，增強(qiáng)路基的穩(wěn)定性。防護(hù)設(shè)施有路基邊坡坡面防護(hù)，如植被防護(hù)、砌石防護(hù)等，可增強(qiáng)路基邊坡的抗風(fēng)化能力；路基邊坡沖刷防護(hù)，適用于濱河、河灘、水庫地段，如植被防護(hù)、拋石防護(hù)等。加固工程則通過修建加固結(jié)構(gòu)物或采取其他措施，使路基獲得穩(wěn)定，如擋土墻、扶壁、擋棚等。在季節(jié)性凍土區(qū)，路基填料的選擇至關(guān)重要，其適用性直接影響路基的凍融特性和穩(wěn)定性。常用的路基填料有粗顆粒土和細(xì)顆粒土。粗顆粒土，如碎石、礫石等，具有透水性好、強(qiáng)度高、壓縮性小等優(yōu)點(diǎn)。在季節(jié)性凍土區(qū)，其良好的透水性能夠有效減少水分在土體中的積聚，降低凍脹的風(fēng)險(xiǎn)。研究表明，粗顆粒土的凍脹敏感性較低，在相同的凍融條件下，其凍脹量明顯小于細(xì)顆粒土。然而，粗顆粒土的級(jí)配和顆粒形狀對(duì)其性能也有重要影響。級(jí)配良好的粗顆粒土，其顆粒之間能夠相互嵌鎖，形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，提高路基的承載能力和抗變形能力。而顆粒形狀不規(guī)則的粗顆粒土，其摩擦力較大，也有助于增強(qiáng)路基的穩(wěn)定性。細(xì)顆粒土，如黏土、粉質(zhì)土等，其黏聚力較大，但透水性較差。在季節(jié)性凍土區(qū)，細(xì)顆粒土中的水分不易排出，在凍結(jié)過程中容易形成冰透鏡體，導(dǎo)致土體體積膨脹，產(chǎn)生較大的凍脹力。而且，細(xì)顆粒土的凍融循環(huán)會(huì)使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，強(qiáng)度降低，增加路基的變形和破壞風(fēng)險(xiǎn)。有研究指出，黏土在凍融循環(huán)后，其抗剪強(qiáng)度會(huì)顯著下降，從而影響路基的穩(wěn)定性。因此，在季節(jié)性凍土區(qū)，細(xì)顆粒土一般需要進(jìn)行改良處理后才能作為路基填料。為了提高路基填料在季節(jié)性凍土區(qū)的適用性，常采用物理改良和化學(xué)改良等方法。物理改良主要通過改變填料的顆粒組成和級(jí)配來改善其性能。在細(xì)顆粒土中摻入適量的粗顆粒料，如中粗砂，可改善其級(jí)配條件，提高透水性和強(qiáng)度?；瘜W(xué)改良則是通過向填料中添加摻入料，促使土與摻入料之間發(fā)生化學(xué)作用，從而改變土的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。常用的摻入料有石灰、水泥、粉煤灰、土壤固化劑等。石灰改良土能夠提高土的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，減少凍脹變形；水泥改良土則具有較高的早期強(qiáng)度和較好的抗凍性能。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)季節(jié)性凍土區(qū)的具體地質(zhì)條件、氣候特點(diǎn)以及工程要求，綜合考慮路基填料的適用性。對(duì)于凍脹敏感性較高的區(qū)域，優(yōu)先選用粗顆粒土作為路基填料，并確保其級(jí)配良好。若使用細(xì)顆粒土，必須進(jìn)行嚴(yán)格的改良處理，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其改良效果。還需加強(qiáng)路基的排水和保溫措施，減少水分和低溫對(duì)路基的影響，提高路基在極端氣溫下的穩(wěn)定性。三、極端氣溫下路基凍融作用機(jī)理3.1凍土物理力學(xué)性質(zhì)凍土是一種特殊的土體，其物理力學(xué)性質(zhì)與普通土體存在顯著差異。它是由土顆粒、冰、未凍水和氣體組成的多相體系，其成分和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了凍土具有獨(dú)特的物理力學(xué)特性。凍土的成分對(duì)其性質(zhì)有著至關(guān)重要的影響。土顆粒的大小、形狀和級(jí)配是影響凍土性質(zhì)的重要因素之一。細(xì)顆粒土，如黏土和粉質(zhì)土，由于其顆粒細(xì)小，比表面積大，表面能高，對(duì)水分的吸附能力較強(qiáng)，在凍結(jié)過程中更容易形成冰透鏡體，導(dǎo)致土體的凍脹變形較大。而粗顆粒土，如礫石和砂，顆粒較大，孔隙率大，水分遷移相對(duì)容易，凍脹敏感性較低。有研究表明，在相同的凍結(jié)條件下，黏土的凍脹率可比礫石土高出數(shù)倍。冰在凍土中起著關(guān)鍵作用。冰的存在改變了土體的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)。冰的強(qiáng)度和剛度相對(duì)較高，能夠增加土體的強(qiáng)度和剛度，但同時(shí)也使土體變得更加脆性。當(dāng)凍土中的冰融化時(shí)，土體的強(qiáng)度和剛度會(huì)顯著降低，容易發(fā)生變形和破壞。冰的含量和分布也會(huì)影響凍土的凍脹和融沉特性。冰含量越高，凍脹和融沉變形就越大；冰的分布不均勻則會(huì)導(dǎo)致土體內(nèi)部應(yīng)力分布不均，增加土體的破壞風(fēng)險(xiǎn)。未凍水是凍土中的重要組成部分。即使在負(fù)溫條件下，凍土中仍存在一定量的未凍水。未凍水的存在使得凍土具有一定的流動(dòng)性和可塑性，同時(shí)也影響著凍土的熱物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。未凍水的含量與溫度密切相關(guān)，隨著溫度的降低，未凍水含量逐漸減少。研究發(fā)現(xiàn)，在-5℃時(shí)，凍土中的未凍水含量可能僅為常溫下含水量的30%-40%。未凍水的存在還會(huì)影響水分在凍土中的遷移，進(jìn)而影響凍脹和融沉過程。凍土的結(jié)構(gòu)對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)也有著重要影響。凍土的結(jié)構(gòu)可分為單粒結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)等。單粒結(jié)構(gòu)的凍土，土顆粒之間相互獨(dú)立，孔隙較大，透水性好，但強(qiáng)度較低；蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)的凍土，土顆粒之間相互連接，形成較為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較高，但透水性較差。在極端氣溫條件下，凍土的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，從而影響其物理力學(xué)性質(zhì)。反復(fù)的凍融循環(huán)會(huì)使凍土的結(jié)構(gòu)逐漸破壞，土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低。在極端氣溫下，凍土的熱力學(xué)特性對(duì)路基的凍融過程起著關(guān)鍵作用。熱傳導(dǎo)是指熱量在凍土中傳遞的過程。凍土的熱傳導(dǎo)系數(shù)是衡量其熱傳導(dǎo)能力的重要參數(shù)。由于冰的熱傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)大于未凍水和空氣，因此凍土的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨著冰含量的增加而增大。在凍結(jié)過程中，熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞，使得土體中的水分逐漸凍結(jié)成冰，導(dǎo)致土體體積膨脹，產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。而在融化過程中，熱量從外界傳入凍土，冰逐漸融化成水，土體體積收縮，引發(fā)融沉。熱容量是指單位質(zhì)量的凍土溫度升高1℃所吸收的熱量。凍土的熱容量主要取決于土顆粒、冰和未凍水的熱容量。由于冰的熱容量小于未凍水，因此隨著凍土中冰含量的增加，其熱容量會(huì)減小。在極端氣溫條件下，凍土的熱容量會(huì)影響其溫度變化的速率。當(dāng)氣溫急劇下降時(shí)，熱容量較小的凍土溫度下降較快，更容易發(fā)生凍結(jié)和凍脹；而當(dāng)氣溫升高時(shí)，熱容量較小的凍土溫度上升也較快，加速融化和融沉。相變潛熱是指在相變過程中，物質(zhì)吸收或釋放的熱量。在凍土的凍結(jié)和融化過程中，水與冰之間的相變會(huì)伴隨著大量的相變潛熱的吸收和釋放。在凍結(jié)過程中，水變成冰會(huì)釋放相變潛熱，使得凍土的溫度下降速度減緩；而在融化過程中，冰變成水會(huì)吸收相變潛熱，導(dǎo)致凍土的溫度升高速度變慢。相變潛熱的存在使得凍土的溫度變化相對(duì)滯后于氣溫的變化，對(duì)路基的凍融過程產(chǎn)生重要影響。凍土的物理力學(xué)性質(zhì)在極端氣溫下表現(xiàn)出明顯的非線性和各向異性。隨著溫度的降低，凍土的強(qiáng)度和剛度逐漸增大，但當(dāng)溫度降至一定程度后，凍土?xí)兊酶哟嘈?，容易發(fā)生破壞。凍土的力學(xué)性質(zhì)還受到加載速率、應(yīng)力路徑等因素的影響。在快速加載條件下，凍土的強(qiáng)度會(huì)顯著提高；而在復(fù)雜應(yīng)力路徑下，凍土的變形和破壞特性會(huì)更加復(fù)雜。凍土的物理力學(xué)性質(zhì)是其在極端氣溫下發(fā)生凍融作用的基礎(chǔ)。深入了解凍土的成分、結(jié)構(gòu)以及熱力學(xué)特性，對(duì)于揭示路基凍融作用機(jī)理，預(yù)測(cè)路基的凍融變形，采取有效的防治措施具有重要意義。3.2凍融循環(huán)過程在極端氣溫條件下，季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基土體經(jīng)歷著復(fù)雜的凍融循環(huán)過程。這一過程不僅涉及土體中水分的相變，還伴隨著水分遷移、土體結(jié)構(gòu)變化以及力學(xué)性質(zhì)的改變，對(duì)路基的穩(wěn)定性產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響。當(dāng)冬季極端低溫來襲，氣溫急劇下降，路基土體中的水分開始凍結(jié)。凍結(jié)過程首先從土體的孔隙水開始，隨著溫度繼續(xù)降低，結(jié)合水也逐漸凍結(jié)。在凍結(jié)初期，由于土體中水分的凍結(jié)，冰晶體開始形成并逐漸生長(zhǎng)。這些冰晶體的生長(zhǎng)會(huì)占據(jù)土體的孔隙空間，導(dǎo)致土體體積膨脹，從而產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。隨著凍結(jié)的持續(xù)進(jìn)行，冰晶體不斷增大，土體中的孔隙被進(jìn)一步填充，凍脹作用也愈發(fā)明顯。路基土體的凍結(jié)過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、非均勻的過程。在這個(gè)過程中，水分會(huì)在溫度梯度和土水勢(shì)梯度的作用下，從未凍區(qū)向凍結(jié)區(qū)遷移。這種水分遷移現(xiàn)象在細(xì)顆粒土中尤為顯著，因?yàn)榧?xì)顆粒土具有較大的比表面積和較強(qiáng)的吸附能力，能夠吸附更多的水分。水分遷移的過程中，會(huì)攜帶熱量，從而影響土體的溫度分布和凍結(jié)速度。當(dāng)水分遷移到凍結(jié)區(qū)后，會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)冰晶體的生長(zhǎng)，加劇凍脹作用。在凍結(jié)過程中，冰透鏡體的形成是一個(gè)重要的現(xiàn)象。冰透鏡體是指在土體凍結(jié)過程中，由于水分遷移和聚集，在土體中形成的薄冰層。冰透鏡體的形成與土體的顆粒組成、水分含量、溫度梯度以及凍結(jié)速度等因素密切相關(guān)。在細(xì)顆粒土中，由于水分遷移困難，容易形成冰透鏡體。冰透鏡體的存在會(huì)使土體的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致土體的力學(xué)性質(zhì)惡化，進(jìn)一步加劇凍脹變形。當(dāng)夏季氣溫升高，極端高溫條件下，凍土開始融化。融化過程同樣是一個(gè)復(fù)雜的過程，首先是土體表層的冰晶體開始融化，隨著熱量的不斷傳入，融化逐漸向土體內(nèi)部發(fā)展。在融化初期，冰晶體融化成水，土體中的孔隙被水填充，土體的體積開始收縮，產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。隨著融化的繼續(xù)進(jìn)行，土體中的水分逐漸排出，土體的結(jié)構(gòu)逐漸恢復(fù)，但由于凍融循環(huán)的作用，土體的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)已經(jīng)發(fā)生了改變，融沉變形可能會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。在融化過程中，土體的力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著變化。由于冰晶體的融化，土體的強(qiáng)度和剛度會(huì)明顯降低，土體的壓縮性增大。在列車荷載和自身重力的作用下，土體容易發(fā)生變形和破壞。融化過程中水分的排出也會(huì)導(dǎo)致土體的飽和度發(fā)生變化，進(jìn)而影響土體的抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性。凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)路基土體的性質(zhì)和變形有著重要影響。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體的結(jié)構(gòu)逐漸破壞，顆粒之間的連接減弱，孔隙率增大。這使得土體的強(qiáng)度和剛度不斷降低，凍脹和融沉變形逐漸增大。有研究表明，經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，土體的抗剪強(qiáng)度可能會(huì)降低30%-50%，凍脹率和融沉系數(shù)也會(huì)顯著增加。在極端氣溫條件下，凍融循環(huán)的頻率和強(qiáng)度也會(huì)增加。頻繁的凍融循環(huán)會(huì)使路基土體處于反復(fù)的膨脹和收縮狀態(tài)，加速土體的劣化過程。極端低溫和高溫會(huì)使土體在凍結(jié)和融化過程中承受更大的應(yīng)力，進(jìn)一步加劇土體的破壞。這種情況下，路基的穩(wěn)定性面臨更大的挑戰(zhàn)，更容易出現(xiàn)病害，影響高速鐵路的安全運(yùn)營。極端氣溫下季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基土體的凍融循環(huán)過程是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，涉及水分遷移、冰晶體生長(zhǎng)、土體結(jié)構(gòu)變化以及力學(xué)性質(zhì)改變等多個(gè)方面。深入了解這一過程，對(duì)于揭示路基凍融作用機(jī)理，預(yù)測(cè)路基的凍融變形，采取有效的防治措施具有重要意義。3.3水分遷移與相變?cè)跇O端氣溫驅(qū)動(dòng)下，季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基土體中的水分遷移與相變過程對(duì)路基的凍融特性有著深遠(yuǎn)影響。這一過程涉及復(fù)雜的物理機(jī)制，與土體的物理性質(zhì)、溫度變化以及外界環(huán)境因素密切相關(guān)。當(dāng)路基土體溫度降低時(shí)，水分遷移現(xiàn)象隨之發(fā)生。水分遷移的驅(qū)動(dòng)力主要來自溫度梯度和土水勢(shì)梯度。在溫度梯度的作用下，熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞，帶動(dòng)水分也向低溫區(qū)遷移。土水勢(shì)梯度則是由于土體中不同位置的水分含量和壓力差異所導(dǎo)致的，水分會(huì)從土水勢(shì)高的區(qū)域向土水勢(shì)低的區(qū)域遷移。在細(xì)顆粒土中，水分遷移現(xiàn)象尤為顯著。細(xì)顆粒土具有較大的比表面積和較強(qiáng)的吸附能力，能夠吸附大量的水分。當(dāng)溫度降低時(shí)，細(xì)顆粒土表面吸附的水分會(huì)逐漸凍結(jié)成冰，導(dǎo)致土水勢(shì)降低。為了保持土水勢(shì)的平衡，周圍的水分會(huì)向凍結(jié)區(qū)域遷移，進(jìn)一步促進(jìn)冰晶體的生長(zhǎng)。有研究表明，在粉質(zhì)土中，當(dāng)溫度從0℃降至-5℃時(shí)，水分遷移量可增加30%-50%，使得凍結(jié)區(qū)域的冰含量顯著增加，加劇了凍脹現(xiàn)象。水分遷移還受到土體孔隙結(jié)構(gòu)的影響。土體孔隙的大小、形狀和連通性決定了水分遷移的路徑和難易程度。在孔隙較大、連通性較好的土體中，水分遷移相對(duì)容易；而在孔隙細(xì)小、連通性差的土體中，水分遷移則受到較大的阻礙。研究發(fā)現(xiàn)，砂土的孔隙較大，水分遷移速度比黏土快2-3倍。在水分遷移的過程中，水-冰相變是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)土體溫度降至冰點(diǎn)以下時(shí)，水分開始凍結(jié)成冰，體積膨脹約9%。這種體積變化會(huì)導(dǎo)致土體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過土體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，土體就會(huì)發(fā)生開裂和破壞。冰晶體的生長(zhǎng)還會(huì)占據(jù)土體的孔隙空間，改變土體的結(jié)構(gòu)和滲透性。水-冰相變過程中的熱量變化也對(duì)路基凍融特性產(chǎn)生重要影響。凍結(jié)過程中，水變成冰會(huì)釋放相變潛熱，使得土體溫度下降速度減緩，凍結(jié)過程相對(duì)滯后。而在融化過程中，冰變成水會(huì)吸收相變潛熱，導(dǎo)致土體溫度升高速度變慢，融化過程也會(huì)受到一定的抑制。水-冰相變還會(huì)影響土體的力學(xué)性質(zhì)。冰的存在增加了土體的強(qiáng)度和剛度，但同時(shí)也使土體變得更加脆性。當(dāng)冰融化后，土體的強(qiáng)度和剛度會(huì)顯著降低，容易發(fā)生變形和破壞。研究表明，凍土的抗壓強(qiáng)度在冰融化后可降低50%-70%。極端氣溫下的水分遷移與相變過程相互作用，共同影響著路基的凍融特性。在寒冷的冬季，極端低溫會(huì)加速水分遷移和凍結(jié)過程，使路基土體中的冰含量迅速增加，凍脹作用加劇。而在炎熱的夏季，極端高溫則會(huì)加快冰的融化和水分的排出，導(dǎo)致融沉變形增大。頻繁的極端氣溫變化還會(huì)使路基土體經(jīng)歷多次凍融循環(huán)，進(jìn)一步加劇土體的劣化和破壞。在實(shí)際工程中，了解路基土體中的水分遷移與相變規(guī)律，對(duì)于采取有效的凍融防治措施具有重要意義。通過優(yōu)化路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理設(shè)置排水系統(tǒng)，能夠及時(shí)排除土體中的水分，減少水分遷移和凍脹的風(fēng)險(xiǎn)。選用合適的保溫材料，降低土體溫度變化幅度，也可以減緩水分遷移和相變過程，保護(hù)路基的穩(wěn)定性。極端氣溫驅(qū)動(dòng)下路基土體中的水分遷移與相變過程是影響路基凍融特性的重要因素。深入研究這一過程，揭示其內(nèi)在機(jī)制，對(duì)于保障季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的安全穩(wěn)定具有重要的理論和實(shí)際意義。四、影響路基凍融特性的因素分析4.1氣候因素4.1.1氣溫變化極端氣溫的波動(dòng)幅度和持續(xù)時(shí)間對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的凍融深度和循環(huán)次數(shù)有著至關(guān)重要的影響。在冬季，當(dāng)極端低溫出現(xiàn)時(shí)，氣溫的急劇下降會(huì)使路基土體中的水分迅速凍結(jié)。研究表明，氣溫每降低1℃，路基土體的凍結(jié)深度可能會(huì)增加5-10厘米。這是因?yàn)榈蜏貢?huì)促使土體中的水分向凍結(jié)鋒面遷移，進(jìn)而形成更多的冰晶體，導(dǎo)致凍脹現(xiàn)象加劇。如果低溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，凍結(jié)深度會(huì)進(jìn)一步加深，凍脹變形也會(huì)更加顯著。在夏季，極端高溫則會(huì)加速凍土的融化。氣溫升高會(huì)使冰晶體迅速融化成水，導(dǎo)致土體體積收縮，產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣溫升高5℃時(shí)，融沉速率可能會(huì)增加30%-50%。高溫還會(huì)加快水分的蒸發(fā)，使土體中的含水量降低，進(jìn)一步影響路基的穩(wěn)定性。氣溫的波動(dòng)幅度也會(huì)對(duì)路基的凍融特性產(chǎn)生影響。較大的氣溫波動(dòng)會(huì)使路基土體在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷多次凍融循環(huán)，加速土體的劣化過程。在一天內(nèi)，氣溫從-10℃迅速升高到10℃，然后又降至-10℃，這樣的劇烈波動(dòng)會(huì)使路基土體反復(fù)膨脹和收縮，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度降低。為了更直觀地說明氣溫變化對(duì)路基凍融特性的影響，以哈大高鐵為例進(jìn)行分析。哈大高鐵沿線冬季極端最低溫度可達(dá)-39.9℃，夏季極端最高溫度可達(dá)35℃以上。在這樣的極端氣溫條件下，路基土體的凍融深度和循環(huán)次數(shù)明顯高于其他地區(qū)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，哈大高鐵部分路段的最大凍結(jié)深度可達(dá)2米以上，每年的凍融循環(huán)次數(shù)可達(dá)10-15次。氣溫變化還會(huì)影響路基的溫度場(chǎng)分布。在極端氣溫條件下，路基表面與內(nèi)部的溫度梯度會(huì)增大，導(dǎo)致水分遷移加劇，進(jìn)一步影響凍融特性。當(dāng)冬季極端低溫時(shí)，路基表面溫度迅速降低，而內(nèi)部溫度下降相對(duì)較慢，形成較大的溫度梯度，促使水分向表面遷移，增加凍脹風(fēng)險(xiǎn)。極端氣溫的波動(dòng)幅度和持續(xù)時(shí)間是影響路基凍融深度和循環(huán)次數(shù)的重要因素。在季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路的設(shè)計(jì)和建設(shè)中，必須充分考慮氣溫變化的影響，采取有效的保溫和防護(hù)措施，以確保路基的穩(wěn)定性。4.1.2降水與蒸發(fā)降水和蒸發(fā)是影響季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基土體含水量的重要因素，它們通過改變土體的濕度狀態(tài)，間接作用于路基的凍融特性。在季節(jié)性凍土區(qū)，降水主要集中在夏季。大量的降水會(huì)使地表水滲入路基土體，增加土體的含水量。當(dāng)土體含水量超過一定閾值時(shí)，在凍結(jié)過程中，水分會(huì)凍結(jié)成冰，導(dǎo)致土體體積膨脹，產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。研究表明，當(dāng)土體含水量增加10%時(shí)，凍脹率可能會(huì)提高20%-30%。降水還可能導(dǎo)致地下水位上升，使路基底部處于飽水狀態(tài)，進(jìn)一步加劇凍脹作用。降水的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間也會(huì)對(duì)路基的凍融特性產(chǎn)生影響。短時(shí)間內(nèi)的強(qiáng)降水會(huì)使土體迅速飽和，水分來不及排出，增加了凍脹的風(fēng)險(xiǎn)。而長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)降水則會(huì)使土體長(zhǎng)期處于高含水量狀態(tài)，加速土體的劣化過程。有研究指出，連續(xù)降雨3天以上，路基土體的強(qiáng)度可能會(huì)降低15%-20%。蒸發(fā)則會(huì)使路基土體中的水分散失，降低土體的含水量。在夏季，氣溫較高，蒸發(fā)作用較強(qiáng)，土體中的水分會(huì)逐漸蒸發(fā)到空氣中。當(dāng)土體含水量降低時(shí)，在凍結(jié)過程中，冰晶體的形成量會(huì)減少，凍脹作用也會(huì)相應(yīng)減弱。蒸發(fā)還可以使土體中的鹽分濃縮，改變土體的物理化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而影響路基的穩(wěn)定性。蒸發(fā)的速率受到氣溫、風(fēng)速、濕度等因素的影響。在高溫、低濕度和大風(fēng)的條件下，蒸發(fā)速率會(huì)加快，土體中的水分散失更快。當(dāng)氣溫為30℃，風(fēng)速為5米/秒時(shí)，蒸發(fā)速率可比常溫下增加50%-80%。降水和蒸發(fā)之間的平衡關(guān)系對(duì)路基的凍融特性也有著重要影響。如果降水大于蒸發(fā)，土體含水量會(huì)增加，凍脹風(fēng)險(xiǎn)增大；反之，如果蒸發(fā)大于降水，土體含水量會(huì)降低，凍脹作用減弱。在實(shí)際工程中，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，合理設(shè)計(jì)路基的排水系統(tǒng)，以維持降水和蒸發(fā)的平衡，減少水分對(duì)路基凍融特性的影響。以東北地區(qū)某季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路為例，該地區(qū)夏季降水較多，年降水量可達(dá)600-800毫米，而蒸發(fā)量相對(duì)較小。在這種氣候條件下，路基土體的含水量較高，凍脹現(xiàn)象較為明顯。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，該地區(qū)路基的平均凍脹量可達(dá)10-15毫米，部分路段的凍脹量甚至超過20毫米。降水和蒸發(fā)通過影響路基土體的含水量，間接作用于路基的凍融特性。在季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路的建設(shè)和運(yùn)營中，應(yīng)充分考慮降水和蒸發(fā)的影響，采取有效的排水和保濕措施，以保證路基的穩(wěn)定性。4.2路基因素4.2.1路基結(jié)構(gòu)形式路基結(jié)構(gòu)形式對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的凍融特性有著顯著影響。不同的路基結(jié)構(gòu)形式，如路堤、路塹等，在極端氣溫條件下的凍融表現(xiàn)存在明顯差異。路堤是在原地面上填筑而成的路基結(jié)構(gòu)。在冬季，路堤表面直接與冷空氣接觸，溫度下降較快，容易形成較大的溫度梯度。由于路堤的高度和填筑材料的特性，熱量從表面向內(nèi)部傳遞的速度相對(duì)較慢，使得路堤內(nèi)部的凍結(jié)過程相對(duì)滯后。在凍結(jié)過程中，路堤表層土體中的水分首先凍結(jié)，形成凍層。隨著凍結(jié)的持續(xù)進(jìn)行，凍層逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展。由于路堤的填筑材料通常具有一定的透水性，水分在凍結(jié)過程中會(huì)發(fā)生遷移，從較暖的區(qū)域向凍結(jié)鋒面遷移，進(jìn)一步加劇了凍脹現(xiàn)象。研究表明，路堤高度對(duì)凍融特性有重要影響。當(dāng)路堤高度較低時(shí)，其受外界氣溫影響較大，凍融深度相對(duì)較深，凍脹變形也較為明顯。隨著路堤高度的增加，路基內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布逐漸趨于穩(wěn)定，凍融深度減小，凍脹變形也相應(yīng)減小。有研究指出，路堤高度每增加1米，凍脹量可能會(huì)降低10%-20%。路堤的邊坡坡度也會(huì)影響凍融特性。較緩的邊坡坡度可以減少冷空氣對(duì)路基邊坡的直接侵襲，降低邊坡土體的凍結(jié)速度，從而減小凍脹變形。而較陡的邊坡坡度則容易導(dǎo)致邊坡土體的溫度變化較大，凍脹變形增加，甚至可能引發(fā)邊坡坍塌等病害。路塹是通過開挖原地面形成的路基結(jié)構(gòu)。與路堤相比，路塹的凍融特性更為復(fù)雜。在冬季，路塹邊坡和底部直接暴露在冷空氣中，溫度下降迅速，凍結(jié)深度較大。由于路塹的開挖改變了原有的地層結(jié)構(gòu)和地下水徑流條件，使得水分在路塹內(nèi)的分布和遷移規(guī)律發(fā)生變化。路塹邊坡的朝向?qū)鋈谔匦杂兄匾绊?。向陽邊坡由于受到太陽輻射的影響，溫度相?duì)較高，凍結(jié)深度較淺，凍脹變形相對(duì)較小。而背陰邊坡則相反，溫度較低，凍結(jié)深度較大，凍脹變形較為明顯。研究發(fā)現(xiàn)，背陰邊坡的凍脹量可比向陽邊坡高出30%-50%。路塹底部的排水條件也對(duì)凍融特性產(chǎn)生重要影響。如果排水不暢，路塹底部容易積水，在凍結(jié)過程中，水分凍結(jié)成冰，導(dǎo)致土體體積膨脹，產(chǎn)生較大的凍脹力。長(zhǎng)期的積水還會(huì)使土體軟化，降低路基的承載能力。以哈大高鐵為例，通過對(duì)路堤和路塹地段的路基凍脹變形觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，路基高程變化在10mm以上時(shí)，路塹地段測(cè)點(diǎn)比率明顯大于路堤比率，且比值迅速增加；路基高程變化在20mm以上的區(qū)域主要位于路塹地段，路塹地段的凍脹發(fā)生比率較路堤地段高，凍脹量也較路堤地段大。路基結(jié)構(gòu)形式是影響季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基凍融特性的重要因素。在工程設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、地質(zhì)情況以及工程要求，合理選擇路基結(jié)構(gòu)形式，并采取相應(yīng)的防護(hù)措施，以減少凍融對(duì)路基的影響，確保路基的穩(wěn)定性。4.2.2路基填料性質(zhì)路基填料的性質(zhì)對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的凍脹和融沉有著關(guān)鍵影響，其中填料的顆粒級(jí)配和礦物成分是兩個(gè)重要的方面。顆粒級(jí)配是指土顆粒在不同粒徑范圍內(nèi)的分布情況。不同顆粒級(jí)配的路基填料在凍融過程中的表現(xiàn)差異顯著。粗顆粒土，如礫石、碎石等，其顆粒較大，孔隙率高，透水性強(qiáng)。在凍結(jié)過程中，由于孔隙較大，水分遷移相對(duì)容易，不易形成冰透鏡體，因此凍脹敏感性較低。研究表明，當(dāng)粗顆粒土的顆粒級(jí)配良好，即大小顆粒搭配合理時(shí)，其抗凍脹性能更佳。因?yàn)榱己玫募?jí)配可以使顆粒之間相互嵌鎖，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，減少水分的積聚和遷移，從而降低凍脹風(fēng)險(xiǎn)。細(xì)顆粒土，如黏土、粉質(zhì)土等，顆粒細(xì)小，比表面積大，表面能高，對(duì)水分的吸附能力強(qiáng)。在凍結(jié)過程中，細(xì)顆粒土中的水分遷移困難，容易在土體中形成冰透鏡體，導(dǎo)致土體體積膨脹，產(chǎn)生較大的凍脹力。有研究指出，黏土的凍脹率通常比礫石土高出數(shù)倍。細(xì)顆粒土的顆粒級(jí)配也會(huì)影響其凍脹特性。當(dāng)細(xì)顆粒土中細(xì)顆粒含量較高，且級(jí)配不良時(shí)，其凍脹敏感性會(huì)進(jìn)一步增加。這是因?yàn)榧?jí)配不良的細(xì)顆粒土孔隙較小，水分遷移更加困難，更容易形成冰透鏡體。礦物成分是路基填料的另一個(gè)重要性質(zhì)。不同礦物成分的填料在凍融過程中會(huì)表現(xiàn)出不同的物理化學(xué)性質(zhì)。蒙脫石、伊利石等黏土礦物含量較高的填料，其親水性較強(qiáng)，遇水后容易膨脹，在凍結(jié)過程中會(huì)加劇凍脹現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)填料中蒙脫石含量增加10%時(shí)，凍脹率可能會(huì)提高20%-30%。而石英、長(zhǎng)石等礦物含量較高的填料，其親水性較弱，凍脹敏感性相對(duì)較低。這些礦物具有較好的穩(wěn)定性，在凍融過程中不易發(fā)生物理化學(xué)變化，從而減少了凍脹和融沉的風(fēng)險(xiǎn)。礦物成分還會(huì)影響填料的強(qiáng)度和耐久性。在凍融循環(huán)作用下，一些礦物會(huì)發(fā)生分解和溶解，導(dǎo)致填料的強(qiáng)度降低，耐久性下降。含有碳酸鹽礦物的填料在酸性環(huán)境下容易被溶解，從而削弱了路基的承載能力。為了提高路基填料的抗凍脹性能，在實(shí)際工程中，常采用改良填料的方法。對(duì)于細(xì)顆粒土，可以通過摻入粗顆粒料，改善其顆粒級(jí)配，提高透水性，降低凍脹敏感性。也可以添加化學(xué)改良劑，如石灰、水泥等，與填料中的礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變其物理化學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)抗凍脹能力。路基填料的顆粒級(jí)配和礦物成分是影響季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基凍脹和融沉的重要因素。在工程設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)充分考慮填料的性質(zhì)，選擇合適的填料，并采取有效的改良措施，以提高路基的抗凍融性能，確保高速鐵路的安全運(yùn)營。4.3其他因素4.3.1地下水位地下水位對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基凍融特性有著顯著影響，其作用機(jī)制主要體現(xiàn)在水分補(bǔ)給和土體飽水程度兩個(gè)方面。當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，路基底部土體處于飽水狀態(tài)。在凍結(jié)過程中，豐富的水分會(huì)向凍結(jié)鋒面遷移，為冰晶體的生長(zhǎng)提供充足的水源，從而加劇凍脹現(xiàn)象。研究表明，當(dāng)?shù)叵滤痪嚯x路基底部小于1米時(shí)，凍脹量可能會(huì)增加30%-50%。這是因?yàn)榈叵滤桓?，使得土體中的孔隙被水分充滿，水分在溫度梯度的作用下更容易向凍結(jié)區(qū)域遷移，形成更多的冰晶體，導(dǎo)致土體體積膨脹更大。地下水位的波動(dòng)也會(huì)對(duì)路基凍融特性產(chǎn)生影響。在季節(jié)性凍土區(qū)，地下水位可能會(huì)隨著季節(jié)變化而發(fā)生波動(dòng)。在夏季，降水增加或河流補(bǔ)給等因素可能導(dǎo)致地下水位上升；而在冬季，蒸發(fā)和地下水排泄等因素可能使地下水位下降。地下水位的波動(dòng)會(huì)使路基土體經(jīng)歷干濕循環(huán)，改變土體的結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)。在干濕循環(huán)過程中，土體顆粒之間的連接會(huì)逐漸削弱，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致土體的強(qiáng)度降低，凍脹敏感性增加。地下水位還會(huì)影響路基的融沉過程。在融化階段，高地下水位會(huì)使路基底部土體長(zhǎng)時(shí)間處于飽水狀態(tài)，降低土體的承載能力。在列車荷載和自身重力的作用下，土體容易發(fā)生變形和沉降，加劇融沉現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，地下水位較高的路段，融沉量可比地下水位較低的路段高出20%-40%。為了減少地下水位對(duì)路基凍融特性的影響，在工程設(shè)計(jì)和施工中，通常會(huì)采取有效的排水措施。設(shè)置盲溝、滲溝等地下排水設(shè)施，可以及時(shí)排除路基中的地下水，降低地下水位，減少水分對(duì)路基的影響。在路基底部鋪設(shè)隔水層，也能有效阻止地下水向上滲透，保護(hù)路基的穩(wěn)定性。以東北地區(qū)某季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路為例，該地區(qū)地下水位較高，部分路段地下水位距離路基底部不足0.5米。在冬季，這些路段的路基凍脹現(xiàn)象較為嚴(yán)重，凍脹量明顯高于地下水位較低的路段。通過設(shè)置盲溝和滲溝，降低地下水位后，路基的凍脹量得到了有效控制，減少了對(duì)軌道平順性和穩(wěn)定性的影響。地下水位是影響季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基凍融特性的重要因素。其通過影響水分補(bǔ)給和土體飽水程度，對(duì)路基的凍脹和融沉過程產(chǎn)生顯著影響。在工程實(shí)踐中，應(yīng)充分考慮地下水位的影響，采取有效的排水和隔水措施，以確保路基的穩(wěn)定性。4.3.2列車荷載列車荷載作為一種動(dòng)態(tài)荷載，對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基凍融特性有著不容忽視的影響，其與凍融作用之間存在著復(fù)雜的耦合效應(yīng)。在列車運(yùn)行過程中，列車荷載會(huì)使路基土體產(chǎn)生振動(dòng)和變形。這種振動(dòng)和變形會(huì)打破土體原有的結(jié)構(gòu)平衡，增加土體顆粒之間的孔隙，為水分遷移提供更多的通道。研究表明，列車荷載作用下，路基土體的孔隙率可增加5%-10%?？紫堵实脑黾邮沟盟指菀自谕馏w中遷移，在凍結(jié)過程中，水分更容易向凍結(jié)鋒面聚集，促進(jìn)冰晶體的生長(zhǎng)，從而加劇凍脹現(xiàn)象。列車荷載的大小和頻率也會(huì)影響路基的凍融特性。當(dāng)列車荷載較大時(shí)，土體受到的應(yīng)力較大，變形也相應(yīng)增大，這會(huì)進(jìn)一步加劇水分遷移和凍脹作用。較高的列車運(yùn)行頻率會(huì)使路基土體頻繁受到荷載作用，加速土體結(jié)構(gòu)的破壞，降低土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，增加凍脹和融沉的風(fēng)險(xiǎn)。列車荷載與凍融作用之間存在耦合效應(yīng)。在凍融循環(huán)過程中，土體的物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，其承載能力和抗變形能力會(huì)降低。此時(shí)，列車荷載的作用會(huì)對(duì)路基產(chǎn)生更大的影響，導(dǎo)致路基的變形和破壞加劇。在凍結(jié)狀態(tài)下，土體的強(qiáng)度較高，但脆性也較大，列車荷載的沖擊作用容易使土體產(chǎn)生裂縫；而在融化狀態(tài)下，土體的強(qiáng)度和剛度明顯降低，列車荷載會(huì)使土體更容易發(fā)生變形和沉降。長(zhǎng)期的列車荷載作用還會(huì)導(dǎo)致路基土體的累積損傷。隨著列車運(yùn)行次數(shù)的增加，土體中的微裂縫逐漸擴(kuò)展和連通，結(jié)構(gòu)逐漸劣化，這會(huì)進(jìn)一步影響路基的凍融特性。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過100萬次列車荷載作用后，路基土體的抗剪強(qiáng)度可能會(huì)降低20%-30%，凍脹率和融沉系數(shù)也會(huì)顯著增加。為了減少列車荷載對(duì)路基凍融特性的影響，在工程設(shè)計(jì)中，需要合理確定列車的運(yùn)行速度和軸重，避免過大的荷載對(duì)路基造成破壞。還應(yīng)加強(qiáng)路基的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高路基的承載能力和穩(wěn)定性，如增加路基的厚度、優(yōu)化路基的填筑材料等。以哈大高鐵為例，通過對(duì)不同路段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，列車運(yùn)行頻繁的路段，路基的凍脹和融沉變形明顯大于列車運(yùn)行較少的路段。在這些路段，通過優(yōu)化列車運(yùn)行方案，合理控制列車荷載，并加強(qiáng)路基的維護(hù)和加固，有效降低了路基凍融病害的發(fā)生概率。列車荷載對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基凍融特性有著重要影響，其與凍融作用之間存在耦合效應(yīng)。在工程建設(shè)和運(yùn)營中，應(yīng)充分考慮列車荷載的作用，采取有效的措施，減少其對(duì)路基凍融特性的不利影響，確保高速鐵路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。五、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與案例分析5.1監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)為深入研究極端氣溫下季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的凍融特性，在典型季節(jié)性凍土區(qū)的高鐵線路上精心設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置選取充分考慮了該區(qū)域的地質(zhì)條件、氣候特點(diǎn)以及路基結(jié)構(gòu)形式的代表性。在地形地貌上，選擇了平坦開闊的地段以及地形起伏較大的區(qū)域，以對(duì)比不同地形條件下路基的凍融特性；在地質(zhì)條件方面，涵蓋了粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黃土、粗圓礫土等不同土質(zhì)的路段，以研究土質(zhì)對(duì)凍融特性的影響；對(duì)于路基結(jié)構(gòu)形式，分別在路堤、路塹、涵洞及涵路過渡段等不同部位設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以全面了解不同結(jié)構(gòu)形式路基的凍融變化。監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括路基的溫度、水分、變形以及應(yīng)力應(yīng)變等參數(shù)。在溫度監(jiān)測(cè)方面，沿路基深度方向每隔0.5米埋設(shè)一個(gè)高精度溫度傳感器，傳感器的精度可達(dá)±0.1℃，能夠準(zhǔn)確捕捉路基不同深度處的溫度變化。從路基表面到地基以下2米的范圍內(nèi)，共設(shè)置了5個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以獲取完整的溫度剖面。水分監(jiān)測(cè)則采用時(shí)域反射儀（TDR），在路基不同深度處安裝TDR探頭，測(cè)量土體的含水率。探頭的埋設(shè)深度與溫度傳感器相對(duì)應(yīng)，同樣在路基表面到地基以下2米的范圍內(nèi)進(jìn)行布置，確保能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)土體水分的動(dòng)態(tài)變化。變形監(jiān)測(cè)通過在路基表面和內(nèi)部設(shè)置位移傳感器來實(shí)現(xiàn)。在路基表面，每隔10米設(shè)置一個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用高精度水準(zhǔn)儀進(jìn)行定期測(cè)量，精度可達(dá)±1mm，以監(jiān)測(cè)路基表面的沉降和隆起情況。在路基內(nèi)部，沿深度方向每隔1米埋設(shè)一個(gè)土壓力盒和應(yīng)變計(jì)，用于測(cè)量土體的應(yīng)力應(yīng)變，以了解路基內(nèi)部的受力狀態(tài)。為了確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，在監(jiān)測(cè)方法上采取了嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施。溫度傳感器和TDR探頭在安裝前進(jìn)行了校準(zhǔn)，確保其測(cè)量精度符合要求。位移傳感器和土壓力盒的安裝位置經(jīng)過精確測(cè)量和定位，避免因安裝誤差導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差。數(shù)據(jù)采集頻率根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)參數(shù)和季節(jié)進(jìn)行調(diào)整，在凍融循環(huán)較為劇烈的冬季和夏季，增加數(shù)據(jù)采集頻率，每小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)；在其他季節(jié)，每天采集一次數(shù)據(jù)，以全面反映路基凍融特性的動(dòng)態(tài)變化。監(jiān)測(cè)時(shí)間跨度為一個(gè)完整的凍融循環(huán)周期，從當(dāng)年的10月開始，到次年的9月結(jié)束。在這期間，密切關(guān)注極端氣溫事件的發(fā)生，并記錄相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)，如氣溫、降水、風(fēng)速等，以便分析極端氣溫對(duì)路基凍融特性的影響。通過上述精心設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)方案，能夠全面、準(zhǔn)確地獲取極端氣溫下季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的凍融特性數(shù)據(jù)，為后續(xù)的案例分析和研究提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。5.2監(jiān)測(cè)結(jié)果分析通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的深入分析，發(fā)現(xiàn)極端氣溫下季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的凍融特性呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。在溫度變化方面，路基不同深度處的溫度隨時(shí)間呈現(xiàn)出周期性的波動(dòng)。在冬季，隨著氣溫的降低，路基表面溫度迅速下降，凍結(jié)過程從表面逐漸向內(nèi)部發(fā)展。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在極端低溫條件下，路基表面溫度可在短時(shí)間內(nèi)降至-20℃以下，而路基內(nèi)部溫度下降相對(duì)較慢。在距路基表面1米深處，溫度下降幅度相對(duì)較小，最低溫度一般在-5℃至-10℃之間。隨著凍結(jié)過程的持續(xù)，路基內(nèi)部的溫度梯度逐漸增大，這是由于熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞的過程中，受到土體熱傳導(dǎo)性能的影響。在夏季，氣溫升高，路基表面溫度迅速回升，融化過程同樣從表面開始向內(nèi)部推進(jìn)。路基表面溫度可在夏季達(dá)到25℃以上，而內(nèi)部溫度升高相對(duì)緩慢。路基土體的含水率變化也與凍融過程密切相關(guān)。在凍結(jié)過程中，水分從高溫區(qū)向低溫區(qū)遷移，導(dǎo)致凍結(jié)鋒面附近的含水率增加。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在凍結(jié)鋒面處，土體的含水率可增加10%-20%。這是因?yàn)樗衷跍囟忍荻鹊淖饔孟拢騼鼋Y(jié)區(qū)域聚集，形成冰晶體，使得凍結(jié)鋒面附近的土體含水率升高。而在融化過程中，冰晶體融化成水，水分逐漸排出，土體的含水率逐漸降低。在融化后期，路基土體的含水率可恢復(fù)到接近初始狀態(tài)。路基的變形規(guī)律在凍融循環(huán)過程中也十分明顯。在凍結(jié)過程中，路基土體體積膨脹，產(chǎn)生凍脹變形。凍脹變形主要集中在路基表層，隨著深度的增加，凍脹變形逐漸減小。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，路基表層的凍脹量可達(dá)10-15毫米，而在路基基床底層以下，凍脹量一般小于5毫米。在融化過程中，路基土體體積收縮，產(chǎn)生融沉變形。融沉變形同樣主要發(fā)生在路基表層，且融沉量與凍脹量存在一定的相關(guān)性。一般情況下，融沉量約為凍脹量的60%-80%。通過對(duì)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)路基結(jié)構(gòu)形式對(duì)凍融特性有著顯著影響。路堤地段的凍脹變形相對(duì)較小，這是因?yàn)槁返痰奶钪牧暇哂幸欢ǖ耐杆?，水分在凍結(jié)過程中能夠相對(duì)容易地排出，減少了凍脹的發(fā)生。而路塹地段的凍脹變形相對(duì)較大，尤其是在邊坡和底部，由于受到地形和地質(zhì)條件的影響，水分不易排出，導(dǎo)致凍脹現(xiàn)象較為嚴(yán)重。涵洞及涵路過渡段的凍融特性也較為復(fù)雜，由于結(jié)構(gòu)的特殊性，在凍融循環(huán)過程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致變形和破壞。以哈大高鐵某監(jiān)測(cè)段為例，在一個(gè)凍融循環(huán)周期內(nèi)，該段路基在冬季極端低溫時(shí)，路基表面溫度最低達(dá)到-25℃，凍結(jié)深度達(dá)到1.5米。在凍結(jié)過程中，路基表層的含水率增加了15%，凍脹量達(dá)到12毫米。而在夏季極端高溫時(shí)，路基表面溫度最高達(dá)到30℃，融化深度也為1.5米。在融化過程中，路基表層的含水率降低了10%，融沉量為8毫米。極端氣溫下季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的凍融特性呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，溫度、含水率和變形等參數(shù)在凍融循環(huán)過程中相互影響，路基結(jié)構(gòu)形式也對(duì)凍融特性產(chǎn)生重要作用。這些規(guī)律的揭示，為進(jìn)一步研究路基凍融病害的防治措施提供了重要依據(jù)。5.3案例分析5.3.1某高鐵線路凍害案例以蘭新高鐵K2005-K2030區(qū)間為例，該區(qū)間位于祁連山北側(cè)高海拔地段，屬于深季節(jié)凍土區(qū)，最冷月平均氣溫達(dá)到-8.4℃，極端最低氣溫可達(dá)-31.5℃，土壤標(biāo)準(zhǔn)最大凍結(jié)深度為1.84m。在2014-2016年冬季無砟軌道精測(cè)精調(diào)時(shí)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)間的路基存在不同程度凍脹變形，共7段典型段落發(fā)生路基凍脹變形，分別為K2005+918-K2006+062，K2008+000-K2008+450，K2009+250-K2010+200，K2017+100-K2017+500，K2017+854-K2019+923，K2020+900-K2021+100，K2028+689-K2029+844。該區(qū)間路基多為路塹、零斷面換填、小于3m矮路堤結(jié)構(gòu)形式。路基所在段地層主要為第四系上更新統(tǒng)(Q3)，由洪積層組成，土層個(gè)別段落有缺失，總體從上至下依次為粉質(zhì)黏土(腐殖土Q3pl1)，厚0.7-1.8m，灰褐色，有機(jī)質(zhì)含量高，含植物根系，軟塑，局部硬塑，Ⅱ級(jí)普通土；砂質(zhì)黃土(Q3pl3)，層狀分布，厚0.5-3.0m，淺黃色至褐色至褐黃色，土質(zhì)較均勻，夾砂礫、中細(xì)砂及植物根系，稍密-中密，稍濕-潮濕，II級(jí)普通土；細(xì)圓礫土(Q3pl6)，層狀分布，厚2-5.0m，雜色-灰褐色，顆粒不均，粒徑2-20mm的顆粒占40%-60%，大于20mm的顆粒占20%左右，渾圓狀，成分以硅質(zhì)砂巖、片巖為主，余為雜巖和砂質(zhì)填充，稍濕，稍密-中密，Ⅱ級(jí)普通土；粗圓礫土(Q3pl6)，為段內(nèi)主要地層，厚度大于30m，雜色-棕紅色-灰色，顆粒不均勻，粒徑大于20mm的顆粒占65%左右，局部可以達(dá)到卵石，渾圓狀，成分以棕紅色硅質(zhì)砂巖、灰色片巖、石英巖等硬質(zhì)巖石為主，余為雜巖和砂質(zhì)充填，稍濕-潮濕，中密-密實(shí)，Ⅲ級(jí)硬土。路基填料多為粗圓礫土、細(xì)圓礫土等，屬于含有細(xì)顆粒的粗顆粒填料(B組)。通過以CPⅢ樁網(wǎng)為基準(zhǔn)，以安博格小車等進(jìn)行人工測(cè)量，依據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》中兩股鋼軌水平面偏差不得大于4mm、10m內(nèi)鋼軌的凍脹差不得大于4mm的標(biāo)準(zhǔn)，將4mm作為凍脹與不凍脹的界限。2014-2015年冬季精測(cè)精調(diào)時(shí)發(fā)現(xiàn)該區(qū)間7段典型段落發(fā)生路基凍害15處，其中上行線8處，下行線7處，最大凍起高度15.23mm。雖然與寒區(qū)蘭新鐵路等其他普速鐵路、哈大及哈齊客專等相比，路基凍脹高度相對(duì)較小，但已經(jīng)影響高鐵軌道平順性，需要反復(fù)精測(cè)精調(diào)才能使軌道平順性符合要求，耗費(fèi)了大量人力物力對(duì)線路進(jìn)行維護(hù)。凍害產(chǎn)生的原因主要有以下幾點(diǎn)。在路基填料方面，對(duì)該區(qū)間內(nèi)路基基床底層填料隨機(jī)取樣10組進(jìn)行室內(nèi)篩分試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)A組填料2組，粒徑小于0.075mm的土顆粒含量分別為3.76%、6.56%；B組填料8組，粒徑小于0.075mm的土顆粒含量在10%-15%的占2組，分別為10.96%、14.1%，大于15%的占6組，在15.6%-21.46%之間，故該段路基基床底層及以下多為細(xì)顆粒含量較高的B組粗顆粒填料。細(xì)顆粒含量較高使得填料的凍脹敏感性增加，在低溫和水分條件適宜時(shí)，容易發(fā)生凍脹現(xiàn)象。水分也是重要因素，該地區(qū)冬季寒冷且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在凍結(jié)過程中，路基土體中的水分遷移，在低溫作用下形成冰晶體，導(dǎo)致土體體積膨脹。由于路基多為路塹、矮路堤等結(jié)構(gòu)形式，排水條件相對(duì)較差，水分容易在路基土體中積聚，為凍脹提供了充足的水源。低溫是凍害產(chǎn)生的必要條件，該區(qū)間極端最低氣溫可達(dá)-31.5℃，低溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，使得路基土體的凍結(jié)深度較大，凍結(jié)過程中水分遷移和冰晶體生長(zhǎng)的時(shí)間充足，進(jìn)一步加劇了凍脹現(xiàn)象。凍害的發(fā)展過程呈現(xiàn)出一定的階段性。在凍結(jié)初期，隨著氣溫下降，路基土體開始凍結(jié)，凍脹變形逐漸出現(xiàn)，但增長(zhǎng)速度相對(duì)較慢。隨著低溫持續(xù)，凍脹變形進(jìn)入快速發(fā)展階段，變形量迅速增加。當(dāng)達(dá)到一定程度后，凍脹變形進(jìn)入穩(wěn)定維持階段，此時(shí)雖然氣溫仍較低，但凍脹變形的增長(zhǎng)速度減緩。在春季氣溫回升時(shí)，進(jìn)入融化回落期，凍脹變形逐漸減小，但由于土體結(jié)構(gòu)在凍融過程中受到破壞，可能會(huì)殘留一定的變形。凍害對(duì)高鐵運(yùn)營產(chǎn)生了諸多危害。軌道幾何尺寸發(fā)生變化，如軌面高低不平、軌向偏差等，影響列車的運(yùn)行平穩(wěn)性和舒適性，增加了列車運(yùn)行的阻力和能耗。嚴(yán)重的凍害還可能導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)的損壞，如扣件松動(dòng)、軌枕斷裂等，危及列車運(yùn)行安全。為了維持軌道的平順性，需要頻繁進(jìn)行精測(cè)精調(diào)等養(yǎng)護(hù)維修工作，增加了運(yùn)營成本和維護(hù)難度。5.3.2應(yīng)對(duì)措施及效果評(píng)估針對(duì)蘭新高鐵K2005-K2030區(qū)間的路基凍害問題，采取了一系列工程措施。在路基填料改良方面，對(duì)于細(xì)顆粒含量較高的B組粗顆粒填料，采用摻入適量粗顆粒料的方法，改善其顆粒級(jí)配，提高透水性。在細(xì)圓礫土中摻入一定比例的碎石，使顆粒級(jí)配更加合理，減少水分在土體中的積聚。還添加了石灰等化學(xué)改良劑，與填料中的礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高土體的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，降低凍脹敏感性。排水系統(tǒng)優(yōu)化是重要措施之一。在路基兩側(cè)增設(shè)了滲水盲溝，盲溝采用透水性良好的材料填充，如礫石、粗砂等，能夠及時(shí)排除路基土體中的水分，降低地下水位。在路塹地段，完善了邊溝和截水溝的設(shè)置，確保地表水能夠迅速排出路基范圍，減少水分對(duì)路基的浸泡。保溫措施也不可或缺。在路基表面鋪設(shè)了聚苯乙烯泡沫板等保溫材料，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)低，能夠有效減少路基與外界的熱量交換，降低路基土體的溫度變化幅度。在冬季，保溫材料可以減緩路基土體的凍結(jié)速度，減少凍脹變形；在夏季，能夠延緩凍土的融化，減輕融沉現(xiàn)象。對(duì)這些應(yīng)對(duì)措施的效果評(píng)估采用了多種方法。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，在采取措施后，對(duì)路基的變形、溫度、水分等參數(shù)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，路基的凍脹變形得到了有效控制，最大凍脹量明顯減小，從原來的最大凍起高度15.23mm降低到了5mm以下，滿足了高鐵軌道平順性的要求。數(shù)值模擬也用于效果評(píng)估。利用有限元軟件建立路基模型，模擬采取措施后的路基在凍融循環(huán)過程中的溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)和變形場(chǎng)。模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了措施的有效性。模擬結(jié)果表明，改良后的路基填料在相同的凍融條件下，凍脹率降低了40%-50%，排水系統(tǒng)優(yōu)化后，路基土體的含水率明顯降低，保溫措施使得路基內(nèi)部的溫度變化更加平緩。通過經(jīng)濟(jì)成本分析，雖然采取這些措施在初期投入了一定的資金，但從長(zhǎng)期來看，減少了軌道的維修養(yǎng)護(hù)成本和因凍害導(dǎo)致的列車延誤等間接損失，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。綜合來看，這些應(yīng)對(duì)措施在解決蘭新高鐵K2005-K2030區(qū)間路基凍害問題上取得了顯著效果，有效保障了高鐵的安全運(yùn)營和平順性。但仍需持續(xù)關(guān)注路基的狀態(tài)，進(jìn)一步完善和優(yōu)化防治措施，以應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的各種情況。六、室內(nèi)試驗(yàn)研究6.1試驗(yàn)材料與方法為深入研究極端氣溫下季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的凍融特性，選取了具有代表性的路基填料作為試驗(yàn)材料。這些填料主要采集自典型季節(jié)性凍土區(qū)的高速鐵路施工現(xiàn)場(chǎng)，包括粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黃土和粗圓礫土等。粉質(zhì)黏土具有顆粒細(xì)小、比表面積大、黏聚力較高但透水性較差的特點(diǎn)。其顆粒分析結(jié)果顯示，粒徑小于0.075mm的顆粒含量占比達(dá)40%-50%，液限為35%-45%，塑限為20%-30%。砂質(zhì)黃土則以粉粒為主，顆粒相對(duì)較均勻，透水性較好，但黏聚力較低。其粒徑小于0.075mm的顆粒含量占比為20%-30%，孔隙比為0.8-1.0。粗圓礫土的顆粒較大，主要由粒徑大于2mm的礫石組成，含量占比達(dá)60%-70%，透水性良好，強(qiáng)度較高。為模擬極端氣溫條件，采用了先進(jìn)的高低溫試驗(yàn)箱。該試驗(yàn)箱能夠精確控制溫度，溫度控制范圍為-40℃至60℃，精度可達(dá)±0.5℃。試驗(yàn)箱內(nèi)部空間充足，可容納尺寸為30cm×30cm×30cm的試樣。在試驗(yàn)過程中，通過試驗(yàn)箱的控制系統(tǒng)設(shè)置不同的溫度變化曲線，以模擬實(shí)際工程中可能遇到的極端低溫和高溫情況。在模擬冬季極端低溫時(shí)，將溫度在24小時(shí)內(nèi)從常溫迅速降至-30℃，并保持一定時(shí)間；模擬夏季極端高溫時(shí)，將溫度在24小時(shí)內(nèi)從常溫升高至50℃，并維持該溫度。采用的凍融試驗(yàn)方法為快速凍融法。具體試驗(yàn)步驟如下：首先，將采集的路基土樣進(jìn)行風(fēng)干、碾碎，并過篩處理，以保證土樣的均勻性。然后，將處理后的土樣按照一定的含水率和干密度要求制備成圓柱形試樣，試樣直徑為10cm，高度為20cm。將試樣放入高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，按照設(shè)定的溫度變化曲線進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。在每次凍融循環(huán)中，先將試樣降溫至設(shè)定的低溫，保持12小時(shí)，模擬土體的凍結(jié)過程；然后升溫至設(shè)定的高溫，保持12小時(shí)，模擬土體的融化過程。在凍融循環(huán)過程中，利用高精度溫度傳感器和水分傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣內(nèi)部的溫度和水分變化。溫度傳感器采用熱電偶，精度為±0.1℃，能夠準(zhǔn)確測(cè)量試樣不同位置的溫度。水分傳感器則采用時(shí)域反射儀（TDR），測(cè)量精度可達(dá)±0.01cm3/cm3，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣的含水率變化。每隔1小時(shí)記錄一次溫度和水分?jǐn)?shù)據(jù)，以獲取試樣在凍融循環(huán)過程中的溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)分布規(guī)律。為了研究路基填料在凍融循環(huán)后的力學(xué)性能變化，在完成一定次數(shù)的凍融循環(huán)后，對(duì)試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用壓力試驗(yàn)機(jī)，加載速率為1mm/min，記錄試樣破壞時(shí)的荷載，計(jì)算無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。直剪試驗(yàn)則采用應(yīng)變控制式直剪儀，垂直壓力分別取100kPa、200kPa和300kPa，剪切速率為0.8mm/min，測(cè)定試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。通過上述試驗(yàn)材料和方法，能夠全面、系統(tǒng)地研究極端氣溫下季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基填料的凍融特性，為揭示路基凍融作用機(jī)理和制定有效的防治措施提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)。6.2試驗(yàn)結(jié)果與討論通過對(duì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黃土和粗圓礫土三種路基填料的凍融試驗(yàn)，得到了一系列關(guān)于路基凍融特性的重要結(jié)果。在溫度變化方面，不同填料在凍融循環(huán)過程中的溫度響應(yīng)存在明顯差異。粉質(zhì)黏土由于其顆粒細(xì)小，孔隙率低，熱傳導(dǎo)性能較差，導(dǎo)致其在凍結(jié)和融化過程中溫度變化相對(duì)緩慢。在凍結(jié)階段，當(dāng)試驗(yàn)箱溫度迅速降至-30℃時(shí)，粉質(zhì)黏土試樣內(nèi)部溫度需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且溫度梯度較小。這是因?yàn)榧?xì)小的顆粒阻礙了熱量的傳遞，使得熱量在土體中擴(kuò)散的速度較慢。砂質(zhì)黃土的顆粒相對(duì)較均勻，孔隙率適中，熱傳導(dǎo)性能優(yōu)于粉質(zhì)黏土。在相同的凍融條件下，砂質(zhì)黃土試樣內(nèi)部溫度變化較快，能夠較快地響應(yīng)試驗(yàn)箱溫度的變化。在融化階段，當(dāng)試驗(yàn)箱溫度升高至50℃時(shí)，砂質(zhì)黃土試樣內(nèi)部溫度能夠迅速上升，且溫度梯度較大。粗圓礫土的顆粒較大，孔隙率高，熱傳導(dǎo)性能良好。在凍融循環(huán)過程中，粗圓礫土試樣內(nèi)部溫度變化最為迅速，能夠及時(shí)跟隨試驗(yàn)箱溫度的變化。在凍結(jié)階段，粗圓礫土試樣能夠快速冷卻，且溫度分布較為均勻；在融化階段，也能迅速升溫，熱量能夠快速傳遞到試樣內(nèi)部。不同填料的水分遷移規(guī)律也各不相同。粉質(zhì)黏土由于其較強(qiáng)的吸水性和較小的孔隙，水分遷移較為困難。在凍結(jié)過程中，水分主要在較小的范圍內(nèi)遷移，且遷移速度較慢。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，粉質(zhì)黏土試樣內(nèi)部的水分分布逐漸趨于均勻，但仍存在一定的水分聚集現(xiàn)象。砂質(zhì)黃土的水分遷移相對(duì)較為容易，在凍結(jié)過程中，水分能夠在較大范圍內(nèi)遷移。由于其孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)較好，水分能夠較快地向凍結(jié)鋒面遷移，導(dǎo)致凍結(jié)鋒面附近的水分含量增加較為明顯。在融化階段，水分也能較快地排出，使得試樣內(nèi)部的水分含量迅速降低。粗圓礫土的孔隙大，透水性強(qiáng)，水分遷移速度最快。在凍結(jié)過程中，水分能夠迅速向凍結(jié)鋒面遷移，形成明顯的水分聚集帶。在融化階段，水分能夠迅速排出，試樣內(nèi)部的水分含量能夠快速恢復(fù)到初始狀態(tài)。凍融循環(huán)對(duì)不同填料的力學(xué)性能影響顯著。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，粉質(zhì)黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度逐漸降低。在經(jīng)過10次凍融循環(huán)后，粉質(zhì)黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降了30%-40%，抗剪強(qiáng)度也明顯降低。這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)破壞了粉質(zhì)黏土的顆粒結(jié)構(gòu)和膠結(jié)物質(zhì)，使得土體的強(qiáng)度降低。砂質(zhì)黃土的力學(xué)性能在凍融循環(huán)過程中也有所下降，但下降幅度相對(duì)較小。經(jīng)過10次凍融循環(huán)后，砂質(zhì)黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降了15%-25%，抗剪強(qiáng)度下降幅度相對(duì)較小。這是因?yàn)樯百|(zhì)黃土的顆粒結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，凍融循環(huán)對(duì)其破壞程度相對(duì)較小。粗圓礫土的力學(xué)性能受凍融循環(huán)的影響較小。由于其顆粒較大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在凍融循環(huán)過程中，粗圓礫土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度基本保持不變。這表明粗圓礫土具有較好的抗凍融性能，能夠在凍融循環(huán)條件下保持較好的力學(xué)性能。通過對(duì)比分析不同填料的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)粗圓礫土在極端氣溫下的凍融特性表現(xiàn)最佳，具有良好的熱傳導(dǎo)性能、水分遷移性能和抗凍融力學(xué)性能。砂質(zhì)黃土次之，粉質(zhì)黏土的凍融特性相對(duì)較差。在季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)優(yōu)先選擇粗圓礫土作為路基填料，以提高路基的穩(wěn)定性和抗凍融能力。不同路基填料在極端氣溫下的凍融特性存在顯著差異，這些差異對(duì)路基的穩(wěn)定性和耐久性具有重要影響。通過室內(nèi)試驗(yàn)研究，為季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的填料選擇和設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。七、數(shù)值模擬研究7.1數(shù)值模型建立本研究基于傳熱學(xué)和滲流理論，運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立了路基凍融過程的數(shù)值模型。該模型考慮了路基土體的熱物理性質(zhì)、水分遷移特性以及凍融相變過程，旨在精確模擬極端氣溫下路基的凍融特性。在模型建立過程中，依據(jù)實(shí)際工程情況，對(duì)路基的幾何形狀進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化。將路基視為多層結(jié)構(gòu)，包括基床表層、基床底層和地基?；脖韺硬捎眉?jí)配碎石材料，基床底層采用非凍脹土或A、B組填料，地基則根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件選取相應(yīng)的土層。各層的厚度和材料參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察和試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，確保模型能夠真實(shí)反映路基的實(shí)際結(jié)構(gòu)。為了準(zhǔn)確模擬路基在極端氣溫下的溫度場(chǎng)變化，對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行了精心設(shè)置。在路基表面，考慮了與大氣的對(duì)流換熱以及太陽輻射的影響。對(duì)流換熱系數(shù)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件和經(jīng)驗(yàn)公式確定，太陽輻射強(qiáng)度則根據(jù)不同季節(jié)和時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。在路基側(cè)面和底面，假設(shè)為絕熱邊界條件，以簡(jiǎn)化計(jì)算過程。在熱物理參數(shù)方面，通過室內(nèi)試驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)資料，獲取了路基土體的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度等參數(shù)?？紤]到土體在凍融過程中的相變潛熱，引入了焓法進(jìn)行處理。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了土體的相變溫度范圍以及相變潛熱的大小。水分遷移是路基凍融過程中的重要環(huán)節(jié)。在模型中，采用達(dá)西定律描述水分在土體中的滲流過程，并考慮了溫度梯度對(duì)水分遷移的影響。通過試驗(yàn)測(cè)定了土體的滲透系數(shù)和水分?jǐn)U散系數(shù)，并根據(jù)溫度和含水率的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。為了驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。在溫度場(chǎng)模擬方面，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的路基不同深度處的溫度變化趨勢(shì)基本一致，溫度誤差在可接受范圍內(nèi)。在水分場(chǎng)模擬方面，模擬的土體含水率變化與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相符，能夠較好地反映水分遷移規(guī)律。通過對(duì)不同工況下的路基凍融過程進(jìn)行模擬，分析了極端氣溫、路基結(jié)構(gòu)形式、路基填料性質(zhì)等因素對(duì)路基凍融特性的影響。結(jié)果表明，極端低溫會(huì)顯著增加路基的凍結(jié)深度和凍脹量，而極端高溫則會(huì)加速凍土的融化和融沉。路堤結(jié)構(gòu)的凍脹變形相對(duì)較小，路塹結(jié)構(gòu)的凍脹變形相對(duì)較大。粗顆粒填料的路基抗凍融性能優(yōu)于細(xì)顆粒填料。通過建立的數(shù)值模型，還對(duì)不同防治措施下的路基凍融特性進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果顯示，采用保溫材料覆蓋路基表面、優(yōu)化排水系統(tǒng)以及改良路基填料等措施，能夠有效降低路基的凍脹和融沉變形，提高路基的穩(wěn)定性。本研究建立的路基凍融過程數(shù)值模型，能夠較為準(zhǔn)確地模擬極端氣溫下路基的凍融特性，為季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供了有力的技術(shù)支持。7.2模擬結(jié)果與驗(yàn)證將數(shù)值模型的模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在溫度場(chǎng)模擬結(jié)果對(duì)比中，選取了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的路基不同深度處的溫度數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果顯示，模擬的路基溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，在冬季凍結(jié)期和夏季融化期，溫度的變化趨勢(shì)能夠較好地吻合。在凍結(jié)期，模擬的路基表面溫度迅速下降，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的溫度變化相符，且不同深度處溫度的降低趨勢(shì)也與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果相似。在溫度數(shù)值上，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的誤差，但誤差范圍在可接受范圍內(nèi)。在路基表面，模擬溫度與監(jiān)測(cè)溫度的最大誤差為±1.5℃，隨著深度的增加，誤差逐漸減小，在路基基床底層以下，誤差基本控制在±1℃以內(nèi)。這表明數(shù)值模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬路基在極端氣溫下的溫度場(chǎng)分布。在水分場(chǎng)模擬結(jié)果對(duì)比方面，將室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的土體含水率變化數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。室內(nèi)試驗(yàn)中，通過時(shí)域反射儀（TDR）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣在凍融循環(huán)過程中的含水率變化。模擬結(jié)果顯示，土體含水率在凍結(jié)過程中向凍結(jié)鋒面附近聚集，在融化過程中逐漸排出，這與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果一致。在含水率數(shù)值上，模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差也在合理范圍內(nèi)。在凍結(jié)鋒面附近，模擬含水率與試驗(yàn)含水率的最大誤差為±3%，在其他區(qū)域，誤差基本控制在±2%以內(nèi)。這說明數(shù)值模型能夠較好地模擬土體在凍融循環(huán)過程中的水分遷移規(guī)律。為了更直觀地展示模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況，繪制了溫度和含水率隨時(shí)間變化的對(duì)比曲線。從溫度對(duì)比曲線可以看出，模擬曲線與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線緊密貼合，在不同時(shí)間段內(nèi)的溫度變化趨勢(shì)一致，準(zhǔn)確地反映了路基溫度的變化過程。在含水率對(duì)比曲線中，模擬曲線與室內(nèi)試驗(yàn)曲線也基本重合，清晰地展示了土體含水率在凍融循環(huán)過程中的變化規(guī)律。通過將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性。該模型能夠有效地模擬極端氣溫下季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的凍融特性，為進(jìn)一步研究路基凍融病害的防治措施提供了有力的工具。7.3敏感性分析通過數(shù)值模擬，對(duì)極端氣溫、路基結(jié)構(gòu)形式、路基填料性質(zhì)、地下水位和列車荷載等因素進(jìn)行了敏感性分析，以確定各因素對(duì)路基凍融特性的敏感程度，為工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)參考。在極端氣溫因素方面，將極端低溫從-30℃調(diào)整為-35℃，極端高溫從40℃調(diào)整為45℃。模擬結(jié)果顯示，極端低溫每降低5℃，路基的凍結(jié)深度增加10%-15%，凍脹量增加15%-20%；極端高溫每升高5℃，凍土的融化深度增加8%-12%，融沉量增加10%-15%。這表明極端氣溫的變化對(duì)路基的凍融特性影響顯著，是一個(gè)高度敏感的因素。對(duì)于路基結(jié)構(gòu)形式，對(duì)比了路堤和路塹兩種結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，路塹結(jié)構(gòu)的凍脹量比路堤結(jié)構(gòu)高出20%-30%。這是因?yàn)槁穳q結(jié)構(gòu)的邊坡和底部直接暴露在冷空氣中，溫度變化較大，水分遷移和凍脹現(xiàn)象更為嚴(yán)重。路基結(jié)構(gòu)形式對(duì)凍融特性有較大影響，屬于敏感因素。路基填料性質(zhì)的敏感性分析中，分別采用粗圓礫土和粉質(zhì)黏土作為填料進(jìn)行模擬。結(jié)果顯示，粉質(zhì)黏土作為填料時(shí)，路基的凍脹量比粗圓礫土高出50%-80%。這是由于粉質(zhì)黏土顆粒細(xì)小，透水性差，水分容易積聚，在凍結(jié)