第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
近几年来，国家大规模开展基础建设，高速铁路和大运量铁路成为我国基础建设的重要方向，因此对铁路路基的要求明显提高，如何更好地控制路基的稳定变形以及对出现的路基病害整治问题成为了关键。在我国东北、西北等地区因受到地理环境的影响，存在一种特殊的季节性冻土路基，该路基在春冬季节时经常发生冻胀、翻浆、融沉等病害，严重影响了高速铁路的发展建设。
铁路路基建设初期时，大多数路基存在就地取材，土质不良，排水系统不完善以及未布设专门过渡段等较多问题，导致当初路基设计标准达不到高速铁路的要求，其存在的既有线路也很难适应提速后列车的运行，其中在西北季节性冻土地区修筑的兰新铁路西段就是典型的代表之一。
兰新铁路西段东起乌鲁木齐西站，西至中哈交界的阿拉山口站，全长 456 公里，共 36 个车站，贯穿于新疆各大主要城市，是国家西北铁路网不可或缺的部分，也是构成“欧亚大陆桥”的重要干线，被称为 20 世纪的新丝绸之路。
起初兰新铁路西段为单线铁路，自 2009 年开始，增建二线并投入运营，经调查发现，铁路修建后，原有的排水系统受到严重破坏，水流通道发生改变，造成局部路段及桥涵过渡段产生严重冻害，其冻胀变形及不均匀沉降造成路面高低不平，降低了线路的平顺度，影响行车速度，运行时存在极大地安全隐患。这反映了解决铁路路基冻胀问题是列车提速的关键，近年来我国对多年冻土的研究较多而对铁路线路建设中存在的季节性冻土路基关注较少，普遍存在既有线路因路基冻害问题而未满足提速要求，这极大地减缓了铁路的运输速度，影响当地经济发展。因此，为了对现有的兰新铁路西段路基冻害整治问题提供参考依据以及保障兰新铁路达到提速要求，务必要解决季节冻土区铁路路基的冻害问题。
....................
1.2 国内外研究现状
1.2.1 路基冻胀理论研究
早些年代，前苏联和美国在冻土区域内进行大量的工程建设，较早的接触到建筑物的冻胀破坏，对寒区土的冻胀进行研究。有关路基土的冻胀问题，1885 年俄国人提出了冻土水分迁移假说，将土体的冻胀原因归咎于毛细管的作用下因推动了土体内部水分迁移而产生。
1916 年美国工程师 Taber[1]认为结晶力的作用导致了水分迁移，土中存在不同直径的孔隙被水填充，在地温的影响下，大孔隙中的水先形成冰晶体，而小孔隙中的水分未冻结成冰晶体。在结晶力作用下，土体内的大孔隙冰晶体向没有结冰的小孔隙吸收水分，导致冰晶体不断地变大，冻胀产生。但真正结合实际工程去研究路基冻胀理论的是前苏联在多年冻土的远东地区修建第一条铁路开始的。之后在冻土区修筑大量的铁路工程，路基的冻害问题开始显现，因此前苏联及美欧学者开始对土体冻融现象、冻害机理进行大量科学试验和系统的理论研究。
1961 年，Everett 首先根据毛细理论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[2]，该理论被广泛接受并快速发展[3,4]，随后发现毛细理论低估了细颗粒土中的冻胀压力[5]，并无法解释不连续冰透镜是怎样产生的，意识到毛细理论的缺点。因此，在 1972 年，Miller 提出了冻结缘（frozen fringe）理论[6,7]，即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。冻结缘理论弥补了第一冻胀理论的不足，更好地阐述了土体冻胀的形成过程，获得广大学者的认可，称为第二冻胀理论。
随后 Penner 等学者[8,9]对冻结缘形成、发展及特征进行试验和理论分析研究并发表了许多的相关论文。Peppin[10]、Sheng D[11]、Azmatch[12]等人对引起冻土冻胀的冰-透镜生长以及细粒土中冰晶的起始条件做了相关研究。
........................
第 2 章 兰新铁路西段路基冻害现状及冻结深度估算方法
2.1 工程概况
兰新铁路西段自东向西从乌鲁木齐到阿拉山口，沿途经过昌吉、石河子、奎屯等地，全长 456 公里。该线路是修建于 20 世纪 70 年代的单线铁路，既是西北铁路网的关键部分，也是新疆各主要城市的连接枢纽，成为了推动新疆地区经济发展不可缺少的部分。
根据调查，该铁路沿线路基存在不同程度的变形，在路桥过渡段和涵洞台背尤为明显，变形主要是由于路基填料中的粉质黏土形成的含水层或饱水带经过冻融所导致。在 2009 年增建二线后，改变了既有线路的地质条件，导致路基冻害增加，线路平顺度进一步降低。随后又经列车提速，由原来的 80km/h 提高至 140km/h增大了路基的荷载，造成了道砟陷槽、轨道结构损坏等问题，并在低温和降雨的作用下，产生严重的路基土体冻害。因此应采取合理有效的路基冻害综合整治措施，去防止路基在低温、列车荷载作用下进行反复的冻融循环形成更大范围内的道砟囊病害，防止路基含水率增大，避免路基冻害加剧，最后可以达到列车提速要求，保障行车安全。
2.1.1 气候特征
兰新铁路西段位于准喝尔内陆盆地西南缘，天山北麓，四周高山笼罩，潮湿空气很难进入，属于温带大陆性干旱气候，该气候表现为夏季高温炎热，冬季低温寒冷，降雨量小，常年多风，水分蒸发作用强烈等特点。
该地区年平均气温 6.9℃，平均相对湿度 59.6%，年平均降水量 177.3mm，年平均蒸发量为 2060.6mm。该线路路基最大冻深达到 182cm，全年主导风向为 NW平均风速 2.48m/s。各站点详细气象资料见下表。
表 2.1 兰新铁路西段各站点气温
2.2 路基冻害现状
2.2.1 路基冻害类型
根据兰新铁路西段路基冻害产生的位置不同，可将冻害类型分为路涵过渡段冻害、路桥过渡段冻害、路基本体冻害以及站场内冻害，其中路基本体冻害可细分为道床冻害和基床冻害。
根据调查资料，可利用路基冻胀量来定义路基冻害严重等级，当 4mm＜路基冻胀量≤15mm 时，为一般冻胀；当 15mm＜路基冻胀量≤25mm，为强冻胀；而当路基冻胀量＞25mm，为特强冻胀。其中兰新铁路西段路基大部分冻胀病害为一般冻胀，极少数路段冻害为强冻胀。
2.2.2 路基冻害分布
经过全线调查，兰新铁路西段路基冻害共计 738 处，上行线冻害长度为31170m，下行线冻害长度为 40775m，冻害总长度 71945m。其中一般冻胀路段分布最多，占冻胀总长度的 91.5%，强冻胀路段分布较少，共计 6110m，占冻胀总长度的 8.49%，未见特强冻胀路段。
表 2.6 冻害数量及分布位置统计表
由上表 2.6 和图 2.2 可以看出，昌吉～呼图壁区间的路基冻害最为严重，该区间的上行冻胀数量有 145 处，占上行冻胀总数的 44.8%，其冻胀长度达到 16338m下行冻胀数量为 139 处，占下行冻胀总数的 33.6%，其冻胀长度为 13761m。其次是呼图壁～玛纳斯区间的冻害较为严重，上下行冻胀总计 179 处，占上下行总冻胀数量的 24.3%，其冻胀总长度达到 17304m，而在乌苏～四棵树区间冻害数量最少，并且各个站场内冻害数量也有零星分布。
................................第 3 章 试验段路基土体温度及水分变化特征分析 ............................... 24
3.1 试验段工程概括 ......................... 24
3.2 监测点布置方案 .................................. 24
第 4 章 试验段路基温度场研究 .......................................... 42
4.1 季节冻土区路基温度场有限元基本理论 ...................................... 42
4.1.1 基本假定 ............................. 42
4.1.2 路基温度场控制方程 .............................. 42
第 5 章 试验段路基冻害整治技术及效果评价 .................................. 69
5.1 路基冻害整治措施研究 ................................... 69
5.1.1 横向渗沟 .................................... 69
5.1.2 疏干排水 ........................... 69
第 5 章 试验段路基冻害整治技术及效果评价
5.1 路基冻害整治措施研究
根据前文路基冻害成因分析以及温度、水分变化规律的深入研究，发现一定含水量、土的冻胀性和低温条件在路基冻胀方面具有关键作用，其中对于气候环境条件很难从本质上去改变，要想对路基冻害有较好的整治效果，因从土质和水分两方面进行治理。对于水分方面，水分补给的存在，会导致冻胀的严重程度是未水分补给的 10 倍左右，因此，切断地下水下渗通道，阻碍外界水源的补给是防治冻胀首要考虑的，其次采取排水措施，降低路基土内的含水率，使其达不到冻胀发生所需要的起始冻胀含水率。土质方面，采用换填、注浆补强等措施，将路基中的土体进行置换、充填、挤压，去改善路基土体的物理力学性质，达到消除或降低路基土体的冻胀性，起到加固路基的作用。
5.1.1 横向渗沟
（1）横向渗沟的基本原理 路基冻胀病害的产生离不开水分条件，水分在低温条件下，发生相变是冻胀的关键所在，整治路基冻害最有效的措施无疑是降低路基土体的含水量，达到减少或消除路基冻害的目的。挖设横向渗沟，填筑碎石，可以更好地排出路基道砟囊中积水，减少路基土体含水率，并且因为碎石结构空隙大，有效地消散了土体竖向冻结应力，减少竖向冻胀量，有效地防治路基冻害，保障列车运营安全。
（2）横向渗沟的设计
根据现场路基冻害情况，结合路基土体中含水率的大小，将横向渗沟的开挖设计分为逐孔开挖、隔一挖一与隔三挖一。 逐孔开挖是在沿线路方向的每个枕木盒位置挖设一条横向渗沟；隔一挖一是指每隔 1 个枕木盒开挖 1 条横向渗沟；隔三挖一是指每隔 3 个枕木盒开挖 1 条横向渗沟。其中渗沟底部坡度设为 5~10°，向线路外侧排水。横向渗沟从内侧枕木头位置处向下挖深 80~100cm，向外至路基边坡处，宽度为 0.5m。盲沟底部铺设土工布并设垫层，沟内夯填碎石，厚度为 0.6~0.8m，上部铺设滤层土工布，表面填筑圆砾土，厚为 0.2m。
........................
结论与展望
结论
本文选取兰新铁路西段路基严重冻害段作为研究区域，通过现场布设监测点来获取路基内部土体温度和水分相关数据，分析了大气温度作用下季节冻土区路基土体温度、水分变化规律以及土体温度对大气温度的响应，研究了路基内部土体温度与水分的耦合特征。根据监测数据与函数拟合的方法，探索了兰新铁路西段路基冻结深度发展规律，并构建冻结指数与冻结深度之间的函数关系去估算路基冻深。基于热传导理论和有限元方法，建立了存有相变的非稳态路基温度场模型，该模型将太阳辐射、路面有效辐射和气温以及对流热交换等作为上边界条件进行了有限元数值模拟求解，并与监测数据对比验证，深入分析了路基温度场经历冻融循环后的分布规律，研究外界气温变化和土壤冻融相变过程对土体热参数变化的影响以及温度对路基冻害的影响机理，为更好地提出路基冻害整治技术做指导。最后根据上述的研究，对试验段路基冻害整治措施进行评价，提出了合理的、有效的兰新铁路西段路基冻害综合整治技术。主要结论如下：
（1）兰新铁路西段路基冻害问题主要表现为路基土体发生冻胀，其中外界低温、一定含水量和存在冻胀性土质是土体产生冻胀所需的三个主要因素。气温越低，水分越多，冻结深度越大，冻胀越严重。并不同深处路基土体温度的波动总是滞后于气温的变化，深度越大，滞后越明显。路基面层附近处的土体温度变化剧烈，随深度增加，由面层向基层范围内路基土体温度变化缓慢，最后变化幅度趋于平稳。路基浅层处的土壤含水量受到气温和降雨量的影响显著，土体含水率变化剧烈，随深度的增加，深层处的土壤含水量受到的影响逐渐减弱，土体含水率的波动逐渐平缓，其中路基内部土体含水量在纵向深度的空间分布中呈现出“低—高—低”的分布规律。并且土体含水量的变化相对于季节性降雨量存在一定的滞后性，深度越深，滞后现象越明显。
（2）路基内部土壤温度与土壤水分有着有不可分割的关系，路基土壤温度的变化会引起土壤水分的运动，导致路基内部含水量的重新分布，而土壤中水分的存在也会在冻融循环作用下引起路基内部温度梯度的变化。冻融循环过程中，各深度路基土体温度的变化走向与含水量的变化趋势几乎保持一致，但受到土壤热容与水热容的影响，路基土体温度的峰值总是滞后于含水率的峰值。
（3）兰新铁路西段路基的冻结指数呈现出由东向西逐渐增大的变化规律，路基土体的最大冻结深度也由“东—西”逐渐增大，并路基的冻结深度和冻结指数之间为乘幂函数关系。
参考文献（略）