严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析_石刚强
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高纬度严寒地区路基填料防冻胀技术研究发表时间:2019-06-28T14:42:24.047Z 来源:《防护工程》2019年第6期作者:李继刚[导读] 路基冻胀是指土壤在负温条件和存在一定温度梯度条件下,路基本体内水分向冻结面迁移冻结,冻结后路基土体体积增大导致路基顶面高程发生变化的现象。
中铁一局集团有限公司西安 710001摘要:高寒地区路基的冻涨融沉是具备区域气候特征的病害现象,成因复杂,整治困难。
本文从冻涨产生的机理和非冻涨填料试验研究着手,分析填料试验特性,为本地区路基工程填料的选择具有很强的指导作用。
关键词:严寒地区冻涨细颗粒含量路基冻胀是指土壤在负温条件和存在一定温度梯度条件下,路基本体内水分向冻结面迁移冻结,冻结后路基土体体积增大导致路基顶面高程发生变化的现象。
通过对路基冻胀机理及影响因素的研究现状分析可知,国内外学者对路基冻胀机理的理论研究及数值模拟的运用逐渐趋于成熟,采用室内试验或者现场监测的方法对路基冻胀的影响因素,如土质、温度、水分等做了大量的研究,揭示了这些影响因素对路基冻胀量的影响。
鉴于冻胀速率直接影响路基冻胀,进而影响路基的稳定性,而路基冻胀速率的影响因素及其影响路基冻胀的机理还未可知,因此,本项目在研究现有高速铁路路基病害的基础上,进行室内土体冻胀变形试验,考虑冻胀速率及补水条件对于土体的冻胀特性进行分析,揭示高速铁路路基变形特性。
1季节冰冻地区铁路病害的类型及成因分析现有的研究资料表明,冻胀是铁路路基典型的冻害形式,影响冻胀发生的因素很多,可以归结于自然因素和人为因素。
⑴自然因素主要有:气候条件、地质条件。
影响路基冻深的气候因素很多,主要有太阳辐射、地气间的对流换热作用,大气环流和季风、冬季雪盖的厚度以及该地区的云量和日照时间等,这些因素积极地参与大气与地面之间的热交换,进而影响地面和地层中的温度,改变冻深值。
影响路基冻深的地质条件有土性、地下水状况等。
⑵影响铁路路基冻胀的人为因素:路基的高度、排水设计、施工质量和行车荷载等因素。
寒冷地区路基冻害整治摘要青藏铁路格尔木至拉萨段,全长1118公里,其中多年冻土区为632公里。
青藏铁路的修建关键问题是,冻土和路基冻害。
因此解决冻土与路基冻害对寒冷地区铁路的发展有着尤为重要的意义。
首先,我们总体分析了寒冷地区铁路路基冻害的主要分布地区、类型及形成的原因对铁路运营造成的影响。
其次介绍了冻土和冻胀是产生冻害的原因以及冻土的类型地温分区、危害。
最后提出了整治各种路基冻害的综合措施和新型材料EPS板。
关键词冻土(frozen soil) 、路基冻害(frost damage)、EPS材料序言第一章路基冻害的影响路基是轨道的基础,它承受着轨道及机车车辆的静荷载和动荷载,并将荷载向地基深处传递扩散。
它必须保持稳定、坚固,这样才能确保铁路高速、高密、高载的良好状态,不出现可能危及线路正常运营的形变。
路基冻害是寒冷地区铁路线路上分布很广,影响铁路安全及正常运营的常见病害,它与寒冷的气候有关,冰冻线能达到相当深度,又涉及到土的特性。
在我国东北、西北、西南以及刚刚建成通车的青藏铁路线上都存在这路基冻害,路基冻害因其分布广、时间长、工作量大、影响行车非常严重占首位。
哈局、沈局、呼局、兰局等管内大部分都铺设在冻土地带上,路基冻害较为严重。
重要表现形式为:在冬季路基土体冻结时,除路基纵断面在短距离地段内产生不均匀冻胀或路基发生冻结裂缝外,还存在这冰锥、冻胀丘、路基融沉及路基边坡滑坍等一些独特的表现形式。
冻害发生发展时期,一般从每年10月中旬起至次年7月中旬止完全回落完。
对铁路线路影响很大。
每年都会投入大量人力物力来处理路基冻害。
根据历年调查统计报告,沈局关内有冻害207处多,其中冻害高50mm~300mm的冻害6处、50mm 以下的冻害198处,冰锥3处。
冬季线路冻胀凸起冰锥流水成冰,冰水漫及线路影响行车。
为了预防冻害事故的发生,在冬季需派人看守观察组织刨冰,每年仅用于刨冰的工数就达5000多工日。
夏季路基融沉病害情况严重,在管内就有200多处严重下沉地段。
严寒地区高速铁路路基稳定性长期监测研究孙宝臣;张玉芝;李剑芝;赵维刚【期刊名称】《铁道工程学报》【年(卷),期】2015(032)001【摘要】研究目的:为保证严寒地区高速铁路的安全运营,通过分析严寒地区高速铁路路基的特点确定监测指标,并结合哈大高铁路基开展相应的监测技术研究,建立路基稳定性长期监测系统,实现路基状态多参量一体化的自动采集、信号自动传输、数据自动分析处理.基于获取的三年监测数据,进行路基稳定性指标的初步分析.研究结论:(1)路基地温呈周期性波动,地温振幅随深度增加而减少.浅层存在季节冻结层,冷季时自地表向下单向冻结,暖季来临时双向融化;(2)不同深度处的水分出现了迁移和重分布;(3)在列车动荷载和冻融循环作用下,填土性质可能发生了变化,导致了冻胀和融沉压缩变形;(4)监测系统运行稳定,监测数据可充分反映路基的地温等指标的分布规律,从而为哈大高铁路基的病害整治和行车安全提供重要支撑.【总页数】6页(P22-26,128)【作者】孙宝臣;张玉芝;李剑芝;赵维刚【作者单位】石家庄铁道大学,石家庄050043;石家庄铁道大学,石家庄050043;石家庄铁道大学,石家庄050043;石家庄铁道大学,石家庄050043【正文语种】中文【中图分类】P641;U213.1【相关文献】1.基于模糊数学的寒区高速铁路路基稳定性评价及应用分析 [J], 刘华;牛富俊;牛永红;许健2.研究严寒地区高速铁路路基稳定性的长期监测 [J], 王峰3.严寒地区高速铁路轨道分布式光纤安全监测研究 [J], 徐锡江;何建平4.下伏坎儿井暗渠对高速铁路路基稳定性影响 [J], 张炎飞;刘先峰;袁胜洋;王云浩;符文;赵腾飞;陈伟志5.基于北斗融合多源传感器技术的铁路路基稳定性监测研究 [J], 时洪斌;刘柏林;毛忠良因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
铁道部科技研究开发计划哈大客运专线施工综合技术研究试验研究大纲课题名称:哈大客运专线施工综合技术研究子课题名称:严寒地带客运专线砾石类A、B组填料路基防冻胀措施研究课题主持单位:中建总公司哈大工程指挥部子课题主持单位:中建铁路公司哈大项目部子课题参加单位:中建铁路公司哈大项目部一分部中建铁路公司哈大项目部二分部起止年限:2008年5月-2010年10月2010年1月严寒地带客运专线砾石类A、B组填料路基防冻胀措施研究试验研究大纲1、任务来源与铁道部签订的科技研究开发计划课题合同。
2、国内外研究现状及研究问题的提出2.1国内外研究现状严寒地带是指最冷月或一定时期内平均气温低于-15℃的地区。
我国是一个严寒地区分布广泛的国家,根据我国对严寒地区的调查认为,由于地表土冻结和融化造成土体性质的变化,许多建筑物的破坏都是由于土的冻胀作用的结果。
这种冻胀现象反映在我国铁路路基上就是冬季路基冻胀,引起路基变形、裂缝等,这些将严重影响着铁路行车安全和运输效率。
据统计,在2004至2005年间,在我国北方产生了大量的冻胀病害:在哈尔滨铁路局,产生冻胀病害的部位有16123处,总长度达334454米;沈阳局辖内线路路基病害有1376处,产生病害长度达34496.7米;呼和浩特铁路局发生冻胀病害部位有788处,作为交通运输的主要方式——铁路,尤其是高速铁路路基如何解决冻胀病害已成为迫在眉睫的问题。
2.1.1严寒地带土体冻胀的形成及其病害发生的机理鉴于冻胀在寒区建设中的地位,自上个世纪30年代,北半球高纬度各国逐步开展了土的冻胀理论及其过程应用方面的研究工作,至今已有百余种的冻胀试验和判别方法,为工程冻害防治提供了依据。
目前工程界比较统一的认识是,严寒地带土体冻胀产生的原因,大家普遍认为有三大要素,即:水,冻胀敏感性的土及土中的负温,同时认为,只要彻底消除这三个要素中其中一个因素,则可彻底消除冻胀产生的危害。
土体中的水分是导致冻胀的物质因素,水分可能来自于降水、地下水甚至水蒸汽,由于土体冻结过程中温度差异导致的吸力,冻结锋面附近甚至其下很深部位的水分都可能迁移上来形成冰透镜体。
寒区客运专线有砟轨道路基冻害整治技术汤晓光【摘要】收集东北地区气象和冻结深度数据,探讨沈阳铁路局管辖内冻害区域分布规律.对丹大、长珲和秦沈客运专线路基冻害情况进行调研,在重点区段展开冻胀监测试验,分析客运专线路基结构形式与冻害的相关性,分析冻害原因,提出具体整治方法.实践表明,基床表层冻害可采取护肩切槽或护肩下铺设无砂混凝土板的方法排出隔断层顶部基床表层积水;基床底层冻害可采取铺设XPS保温板提高路基体内部温度的方法,路堤地段基床底层也可采取跟管掏土将高含水率细粒土填料置换出来的方法进行整治,路堑地段基床底层冻害可采取增设或加深排水盲沟降低地下水的方法进行整治.【期刊名称】《铁道建筑》【年(卷),期】2018(058)006【总页数】4页(P93-96)【关键词】客运专线;有砟轨道;路基冻害;冻胀分析;冻害整治【作者】汤晓光【作者单位】中国铁路沈阳局集团有限公司,辽宁沈阳 110013【正文语种】中文【中图分类】U216.4寒区客运专线有砟轨道进行了专门的防冻胀设计。
基床表层可设计为水泥稳定级配碎石,增加了强度和整体性,基床底层和路堑地段换填层顶部设置隔断层防止大气降水继续下渗。
长珲、丹大等有砟轨道客运专线在东北地区相继开通运营,虽然在路基防冻胀方面有针对性设计,但还是发生了不同程度的冻胀变形,影响了轨道的平顺性,列车运行晃动加剧,工务部门整修工作大量增加。
冻融按照时间进程可分为初始波动、快速冻胀、稳定冻胀和融化回落4个阶段[1]。
其中快速冻胀阶段和融化回落阶段对线路平顺性影响最大,对整修工作的及时性要求也最为迫切。
已有研究[2-5]表明,冻胀敏感性土、水分和低温是路基冻胀的必备要素。
客运专线排水不畅的基床表层、地下水位过高的路堑地段和积水涵洞上方填土均出现了不同程度的冻胀现象。
冻胀整治可从填土改性、疏排水和保温方面着手[6-9],减缓甚至彻底解决冻害问题。
1 路基冻害基本情况沈阳铁路局管辖线路地处东北干润季节冻土区,气候寒冷,气温基本随纬度的增加逐渐降低。
哈大客专路基冻胀变形特征及防治措施赵富军【摘要】以哈大客运专线的无砟轨道路基工程为依托,通过路基冻胀变形观测数据统计、现场勘察、试验等,从冻胀机理和控制因素角度对冻胀变形特征进行分析.总结了季节性冻土区无砟轨道路基设计和施工的经验.实践表明:路基基床表层的级配碎石层应添加水泥进行改良,深大路堑段应设置渗水盲沟,并适当加深冻结深度.【期刊名称】《铁道建筑》【年(卷),期】2016(000)009【总页数】5页(P86-90)【关键词】客运专线;无砟轨道;路基;季节性冻土;冻胀变形;病害整治【作者】赵富军【作者单位】铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津300142【正文语种】中文【中图分类】U238;U216.41+7我国季节性冻土分布范围约占国土面积的53.5%[1],在东北地区,由于季节性冻土的冻胀和融沉特性,给铁路和公路的建设及运营带来了严重危害。
2004年哈尔滨铁路局范围内超过15 mm的冻胀变形有16 123处累计334 454 m,其中变形达到50 mm以上的有121处累计4 323 m,最大变形可达600 mm[2]。
哈大客运专线是我国在高寒季节性冻土区自行设计建造的第1条时速350 km高速铁路,考虑到无砟轨道对路基变形的特殊要求,设计采取了一系列防冻胀措施。
但2011年冬季的变形观测和铁路轨道动态检测资料表明,部分路基仍然存在较严重的冻胀变形。
经过对变形数据进行分类统计,综合沈大段的现场勘探、试验资料,从路基冻胀机理和主要控制因素方面分析了冻胀变形特征,针对设计施工中存在的不足,提出了合理的整治措施。
本文对此进行分析总结,为类似地区的路基防冻胀设计和病害整治提供参考。
哈大客运专线全线无砟轨道路基长181.97 km,其中沈大段82.47 km(路堤地段44.73 km,路堑地段37.74 km)。
沿线主要气象要素如下:①年平均气温8.9~10.6℃,最冷月平均气温-11.3~-4.9℃;②极端最高气温35.0~36.7℃,极端最低气温-33.1~-21.1℃;③年平均降水量591.5~674.7 mm,土壤最大冻结深度0.93~1.48 m。
东北严寒地区客运专线路基工程的冻胀原因研究及防治措施摘要:路基冻胀是影响铁路运行速度的安全的重大隐患之一,文章结合哈牡客专的建设,对引起哈牡客专路基冻胀的原因进行了分析,详细阐述了引起路基冻胀的原因、防治措施及处理方法。
从而为路基冻胀地区的铁路施工及养护提供参考。
关键词:严寒;路基;客运专线;冻胀;防治措施引言新建哈尔滨至牡丹江铁路客运专线工程我单位施工区段为DK208+400~DK224+800,线路全长16.4km,设计时速250km/h。
位于黑龙江省哈尔滨市尚志市亚布力西和虎峰岭隧道之间,属严寒地区,地表普遍分布季节性冻土,一般每年10月下旬开始冻结,3月中旬达到最大冻结深度,最大冻结深度1.91~2.05m,4月中旬开始融化,5月下旬冻融结束。
管段共有路基9.987km,其中基床表层70cm,采用掺加5%水泥的级配碎石,基床底层230cm,采用A、B组填料,基床底层以下采用A、B、C组填料。
东北地区铁路路基冻害普遍且严重,路基冻胀及冻融使路基产生不均匀变形,进而对轨道的平顺造成破坏,影响铁路运行速度及安全,是高速铁路主要病害之一。
1 研究目的和内容冻土是指温度在0℃或0℃以下,并含有冰的各种岩土和土壤,即冻土是一种由固体土颗粒、冰、液态水和气体四种基本成分所组成的多相复合体,土中孔隙水的体积由于冻结成冰而膨胀,体积将在原位增加9%。
根据冻土存在的时间将冻土分为多年冻土(两年或两年以上)、季节冻土(冬季冻结,夏季全部融化)和瞬时冻土(几个小时至半月)。
随着我国铁路提速范围的扩大以及列车速度的不断提高,路基暴露出的问题也越来越严重。
提速后行车密度加大,维修作业时间相对减少,而且列车提速对线路的标准要求更高。
现阶段北方地区已建或在建的高速铁路(客运专线),变形要求很高,且铁路路基对于冻胀反映比较敏感,我国各地区工务段每年需要投入大量人力物力进行钢轨线形调整,效果并不理想。
部分列车必须限速200km/h以下,严重影响了客运专线快捷、安全优势的发挥,所以进行路基冻害成因和路基防冻胀结构措施的研究具有十分重要的现实意义。
季节性冻土路基变形监测及其稳定性分析一、引言季节性冻土路基变形是指由于冻融循环引起的土壤体积变化而导致路基的沉降和变形。
由于冻融循环的反复作用,冻土路基在冬季变为季节性含水层,会导致路基土层的冻胀和冻缩,从而引起路基的沉降和挠曲。
因此,监测季节性冻土路基的变形情况,对于保证路基稳定性和提高道路交通运输安全至关重要。
二、监测方法1.点位测量法:通过在路基上设置监测点位,并使用高精度测量仪器,如全站仪或GPS等进行定期测量。
通过比对测量数据,可以得出路基变形量和变形规律。
2.面积测量法:在路基表面或边坡上选择不同位置的标志点,并使用GPS测量仪等测量标志点的平面坐标和高程数据。
通过计算标志点之间的位移,可以反映路基的变形情况。
3.应变测量法:在路基上设置应变计,通过监测路基的应变变化来获得路基的变形量。
常用的应变计有电阻应变计、挠度传感器等。
1.评估路基土的冻胀性:通过野外取样和室内试验,确定路基土的冻胀系数、冻胀强度等指标,以评估冻胀对路基稳定性的影响。
2.路基挠度分析:根据实测路基变形数据,使用弹性力学理论或有限元分析方法,计算路基的挠度,判断路基是否会出现超限变形。
3.应力分析:根据路基的受力情况,进行应力分析,包括计算路基的垂直应力和水平应力分布,判断路基的稳定性。
4.模拟冻融循环:通过数值模拟的方法,模拟路基土层的冻融循环过程,获得冻土季节性变形的参数,进而分析路基的稳定性。
四、路基变形控制与治理措施1.加固路基土:对于冻胀性较大的路基土,可以采取加固方法,如加入改性土和粒料等,提高土壤的抗冻胀能力。
2.排水措施:合理设计路基排水系统,保证路基土层的排水通畅,避免季节性含水层的形成。
3.隔离措施:对于冻土路基,可以设置防护层或隔离层,减少冻融循环对路基土层的影响。
4.定期维护:定期监测和维护路基,及时修复路基的病害和变形,保持路基的稳定性。
综上所述,季节性冻土路基变形的监测与稳定性分析对于道路交通安全至关重要。
严寒地区高速铁路路基冻深试验研究的开题报告一、研究背景随着我国高铁网的日益完善,高速铁路在我国交通运输中的地位越来越重要。
然而,在严寒地区铁路建设中,路基冻深问题是长期困扰工程师和技术人员的一大难题。
路基冻深是指地下水或者土壤中的水分在受到一定程度的冻结作用后,所形成的不同深度的冻结土层。
在严寒地区,路基的冻深问题尤其严重,不仅会影响高速铁路的运行稳定性和安全性,还会对其寿命产生极大的影响。
因此,研究严寒地区高速铁路路基冻深试验是非常必要的。
通过试验收集路基冻结状况、路基变形和高速铁路运行数据等信息,以深入了解严寒地区高速铁路路基冻深问题,为改善工程建设提供科学依据。
二、研究目的和意义本研究的目的是开展严寒地区高速铁路路基冻深试验研究,借助现代科技手段对路基冻结状况、路基变形和高速铁路运行数据进行分析,以便更好地对严寒地区高速铁路建设进行技术探索和改进,提高工程的可负荷能力和运行的安全稳定性;同时,也将为严寒地区的铁路建设提供参考和帮助,促进我国高速铁路建设的发展,提高铁路网的运行效率和质量。
三、研究内容和方法本研究的主要内容包括:采取冬季施工方式,通过在路基不同深度埋设测温探头、测深探头和变形测量仪等设备,对路基冻结状况、路基变形和高速铁路运行数据进行实时监测和分析。
主要的研究方法包括:现场试验、数值模拟和实验仿真分析。
四、研究计划和预期成果本研究计划分为初步准备、试验方案设计、试验施工、数据分析等多个阶段,计划持续时间为2年。
预期成果包括:研究出严寒地区高速铁路路基冻深试验的技术方案和规范;收集路基冻结状况、路基变形和高速铁路运行数据等信息,形成一批实用性强的数据;分析严寒地区高速铁路路基冻深问题成因和规律,为严寒地区高速铁路建设和运行提供技术参考和支持。
五、总结本研究旨在解决严寒地区高速铁路路基冻深问题,为我国高速铁路建设提供科学依据和实际支持,推动高铁建设的健康发展。
虽然本研究存在着一系列挑战和难点,如保证试验设备在恶劣环境下的正常运行,实时监视和记录数据等,但我们相信本研究将为严寒地区铁路建设和高速铁路的稳定运行提供重要的科技支持和推动。
设备管理与维修2021№3(下)率尤为重要。
防水板铺设施工与钢筋绑扎施工采用防水板钢筋铺设台车,可满足6m 宽幅防水板铺设,也可满足12m 钢筋一次性绑扎。
防水板钢筋铺设台车自带吊装系统和液压系统,可以自动铺展防水板。
防水板钢筋铺设台车整机作业遥控控制,自带纵向行走和横向平移功能。
相对于使用传统的钢筋铺设台车,使用新型防水板钢筋铺设台车,人工铺设防水板从3m 幅宽防水卷材改进为6m 幅宽防水板,且可以自动铺展,减少了防水板焊缝次数,提高防水板施工质量,减少作业人员,节省工作时间。
高速铁路隧道拱部衬砌采用数字化衬砌台车。
数字化衬砌台车安装有分层溜槽装置,可以做到自动分层分窗带压灌注。
数字化衬砌台车电脑系统可以做到可视化灌注液面,灌注方量统计。
数字化衬砌台车安装的高频气动振动器,振动范围广、深度大,与气囊堵头相配合,有效避免端头模板漏浆,使混凝土振捣密实。
数字化衬砌台车拱顶具备信号反馈和压力检测双重监测,确保拱顶灌满要求。
使用数字化衬砌台车可以更有效地控制衬砌施工质量,减少衬砌脱空现象。
根据电脑数据分析混凝土浇筑方量与浇筑时间,可以发现后续施工过程中的问题,及时进行调整。
4总结在高速铁路隧道施工过程运用机械化施工配套,能够很大程度提高施工效率以及施工质量,有效降低施工人员的施工难度以及施工强度,保障施工人员的生命安全。
因此,应注重研究机械化施工配套在高速铁路隧道施工过程的应用,充分发挥机械化施工配套作用价值,在保证高速铁路隧道整体质量的同时,促使高速铁路隧道工程能够更好更健康的发展。
参考文献[1]赵原野.机械化施工配套在高速铁路隧道施工中的应用[J ].工程建设与设计,2019(7):216-218.[2]张子川.机械化施工配套在高速铁路隧道施工中的应用[J ].科学技术创新,2019(10):122-123[3]宋洪超.高速铁路隧道机械化施工配套技术分析[J ].中国住宅设施,2018(2):111-112.[4]郭海坡.机械化施工配套在高速铁路隧道施工中的应用[J ].山西建筑,2013,39(26):144-146.〔编辑凌瑞〕0引言近年我国东北高寒地区高速铁路开通运营线路逐年快速增加,相继建设了长白铁路、哈佳铁路、京沈铁路等多条高速铁路,进一步促进了整个铁路网络的完善、安全和畅通。
doi :10.7522/j.issn.1000-0240.2014.0044Shi Gangqiang ,Zhao Shiyun ,Li Xianming ,et al .The frost heaving deformation of high-speed railway subgrades in cold regions :Monitoring and an-alyzing [J ].Journal of Glaciology and Geocryology ,2014,36(2):360-368.[石刚强,赵世运,李先明,等.严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析[J ].冰川冻土,2014,36(2):360-368.]严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析收稿日期:2013-10-16;修订日期:2014-04-09基金项目:国家科技支撑计划项目(2012BAG05B00);中国科学院西部行动计划项目(KZCX2-XB3-19);铁道部科技研究开发计划项目(2008G006;Z2012-062)资助作者简介:石刚强(1978-),男,甘肃天水人,高级工程师,2001年毕业于兰州交通大学,现为博士研究生,主要从事冻土与寒区工程研究工作.E-mail :shigangqiang2008@163.com 石刚强1,赵世运2,李先明2,牛永红3(1.兰州大学土木工程与力学学院/西部灾害与环境力学教育部重点实验室,甘肃兰州730000;2.哈大铁路客运专线有限公司,辽宁沈阳110002;3.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州730000)摘要:穿越我国东北地区的哈尔滨至大连高速铁路(哈大高铁)是世界上首条投入运营的新建严寒地区高速铁路,路基冻胀防治采用了换填材料、防水等综合措施.为评价冻胀防治效果及路基工程运营状况,通过对哈大高铁开通后首个冻融期(2012-2013年度)路基全线9641个凸台观测点水准人工监测数据综合分析,研究路基冻胀变形发生、发展和变化规律.结果表明:哈大高铁路基冻胀变形包括冻胀快速发展期、冻胀稳定发展期和融化回落期3个阶段,路基普遍发生冻胀但变形处于可控状态;路基的冻胀变形以基床表层冻胀为主,且其程度与路基结构有关;整体上全线过渡段冻胀轻微,路堤次之,路堑和底座板接缝处较为严重.建议后续冻胀整治应以减少路基表水下渗、控制基床表层冻胀变形为重点;类似工程设计中,应增加以桥代路段落,将路基表层改性为不冻胀整体结构.关键词:高速铁路;季节冻土;路基;冻胀;变形监测中图分类号:U213.1+4文献标识码:A 文章编号:1000-0240(2014)02-0360-090引言世界各国高速铁路路基的结构不尽相同,但都要求满足列车高速、安全、平顺运行和线路少维修.路基的稳定和控制变形是高速铁路路基设计和施工的关键[1],京沪、京广、郑西等多条已经运营的高速铁路都十分重视对路基沉降变形的控制[2-3].但在季节冻土地区,高速铁路路基建设不仅要控制路基沉降变形,冻胀变形也是影响线路平顺度的突出因素.实际上,涉及到的铁路路基都要经受运营荷载作用下的路基冻融循环作用[4-6],需要解决冻胀与融沉的问题[7-8].在青藏高原多年冻土区,青藏铁路“主动冷却”的设计思路成功的解决了高温高含冰量区段路基融沉的问题[9-11].在季节冻土区,尽管结合公路路基冻胀的研究已经取得了良好进展[12-13],解决了路基冻胀机理、影响因素及工程处置对策等问题,但在高速铁路设计与建设中,因路基变形控制要求严格,原有规范及冻胀敏感性分类及工程对策都难以满足路基冻胀控制的要求.哈大高速铁路是我国首条、同时也是世界上第一条投入运营的新建严寒地区长大高速铁路,工程于2007年8月开工建设,2012年12月1日开通运营.哈大高速铁路北起黑龙江省哈尔滨市,南抵辽宁省大连市,线路全长921km ,全线铺设无砟轨道,正线路基长231.2km.其中,无砟轨道路基长182km ,穿越东北东部山地、辽河平原和松嫩平原干润季节冻土区.沿线年平均降水量481.8 674.7mm ,最冷月平均气温-3.9 -23.2ħ,极端最低气温达-39.9ħ,土壤最大冻结深度93 205cm ,每年从10月开始冻结,至次年4-5月全部融化.目前,世界上高速铁路建设与运营比较发达的国家没有如此严寒的环境(如德国高速铁路最大冻深为70cm ,日本高速铁路最大冻深为100cm ),因此,哈大高铁路基防冻胀设计与维护都相对缺乏成熟的经验供借鉴和参考.第36卷第2期2014年4月冰川冻土JOURNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGYVol.36,No.2Apr.,2014季节冻土是一种含冰晶的特殊土水体系,存在冬冻夏融的季节活动层,在高速冲击荷载以及季节性冻融过程作用下[14-15],以冻胀变形为主要表现的路基变形将成为影响哈大高速铁路线路稳定和行车安全的主要问题.哈大高铁路基采用各种方法系统地处置了冻胀防治问题,但由于所处的特殊地理环境,路基冻胀变形还无法完全消除[16-17].运营期间需要通过对监测数据的系统分析,研究路基冻胀变形发生、发展和变化的规律,对路基防冻胀措施效果、线路状态做出评价,为哈大高速铁路长期运营中的养护维修、工程补强、运营速度变更等提供依据,并为其它正在或将要修建的地处严寒或寒冷地区的高速铁路设计和施工提供参考和建议.1哈大高铁路基防冻胀措施哈大高速铁路在路基设计、施工中除合理选择无砟轨道结构型式、采用以桩网结构为主的地基稳定性工程措施以外,围绕路基冻胀的温度、土质和水三要素,采用了封排结合的防冻胀原则,采取了针对性的路基防冻胀措施[18-19]减小路基冻胀变形.1.1路基防冻胀结构设计路基基床表层采用级配碎石层,基床底层顶部冻深范围内设置路基防冻层,并在路堤基床表层底部和路堑基床底部设置隔水层.路基冻结深度范围内填筑非冻胀性填料[20-22],基床表层级配碎石要求满足颗粒粒径d≤0.075mm含量不大于5.0%(重量比),压实后不大于7.0%;防冻层内采用颗粒粒径d≤0.075mm含量不大于15%的不冻胀A、B组填料.优化路基基床结构,在对防冻层顶面找平、复压收光表面后,直接铺两布一膜不透水土工膜,其上铺一层5cm厚中粗砂,沈哈段级配碎石厚度相应增厚15cm[23].1.2路基基底换填和设置防冻胀护道低路堤及路堤式路堑地段基底进行换填[24]并设置降水设施.对于沈哈段冻深较深部分路段,为防止冻胀破坏路堤边坡,当路基填土高度大于3m 时,在路堤边坡两侧设置防冻胀护道[25],护道高度和宽度不小于当地季节最大冻深.1.3路基过渡段特殊设计过渡段采用了不同的特殊设计型式,沈大段基本采用倒梯形,沈哈段则采用了正梯形进行二次过渡,填料为掺3% 5%水泥的级配碎石.对于结构物之间的短路堤,为避免多次过渡使刚度变化不均匀,采用加强措施按过渡段施工一次过渡到位.根据涵洞对路基周围温度场影响、最大冻结深度影响范围[26]填筑掺水泥填料,以保证过渡段路基稳定性、消除差异变形.1.4防冻胀排水系统设计路基表面设置防止地表水下渗的纤维混凝土防水层,轨道板底座外边缘至电缆槽采用现浇6 10cm厚的C25纤维混凝土,对路基面及轨道板底座各接缝进行封闭处理;优化线间排水方案,由集水井改进为混凝土底座预埋排水管方式向外排水[27];根据不同情况设置排水侧沟、渗管及渗水暗沟,地下排水设施出水口采取防冻保温措施.2哈大高铁路基变形观测方法沿线路方向50m左右布设一个监测断面,每个断面分别在线路左、右线凸形挡台及路基左右两侧路肩上各布设1个测点,共4个监测点.全线共设置凸台观测点9641个,其中,路堤3128个,路堑2112个,过渡段4401个.凸台为混凝土刚性结构,其变形即代表线路中心路基的总体变形.考虑到路基冻胀对水准点的影响,利用路基两端大桥及路基中间小桥或涵洞顶上的CPIII点为水准基点建立监测高程控制网,用精密电子水准仪自动记录观测模式进行二等水准人工高程测量,系统观测全线路基变形.作业前及作业期间按规定对仪器进行检校,夜晚温度在-20ħ以下时对观测仪器采取保温措施.根据气象资料确认冻融不同阶段的路基冻胀变化时间,综合考虑监测频次和利用营业线天窗时间进行观测等情况.2012-2013年周期全线共开展了4期人工观测,一般一个观测周期为15d左右,第一次在2012年11月初,其观测结果作为初始值(第1期数据);随后,在2013年1月初(第2期数据)、2013年3月初(第3期数据)和2013年5月初(第4期数据)分别进行了3次人工观测.3路基变形观测结果分析3.1冻胀变形随时间变化特征在季节冻土区,冬季随着气温的逐渐降低,路基土体从表层开始冻结,向下逐渐延伸,最终达到最大冻结深度,并产生冻胀变形.表1和表2为根据路基变形值(前、后两期人工观测高程之差)和结构类型,统计的2012-2013年周期路基凸台观测点变形数据所占百分比(表中数据冻胀变形值为正,沉降变形值为负).1632期石刚强等:严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析表1全线不同结构路基冻胀变形统计Table1The frost heaving deformation values of different structural subgrades变形值/mm1 2周期数据/%全线路堤路堑过渡段1 3周期数据/%全线路堤路堑过渡段2 3周期数据/%全线路堤路堑过渡段≤460.845.558.272.961.145.659.173.097.097.092.999.00 4 619.425.319.615.117.123.114.814.12.12.54.40.75 6 89.612.910.07.010.115.19.56.80.630.32.10.14 8 105.48.35.63.25.57.56.23.80.20.10.50.07 10 122.64.42.91.33.14.44.11.60.050.10.050.02≥122.23.63.70.53.14.36.30.70.0200.050.02表2全线不同结构路基融沉变形统计Table2The thawing settlements of different structural subgrades变形值/mm1 4周期数据/%全线路堤路堑过渡段3 4周期数据/%全线路堤路堑过渡段≤-50.60.60.60.734.348.437.622.6-5 -212.612.113.812.537.438.634.737.9-2 -121.017.026.821.014.38.014.318.7-1 035.437.133.135.29.53.38.214.50 123.426.119.023.63.21.42.44.91 25.24.74.65.90.90.21.91.02 51.72.32.01.10.40.10.90.4≥50.10.10.10.00.00.00.00.图1典型断面路基冻胀发展变化时间曲线Fig.1Frost heaving on a typical subgrade section changing with time分析表1和表2数据可知,哈大高铁沿线大部分监测断面的冻胀变形随时间发展变化规律基本一致,其冻胀发展变化过程大致分为冻胀快速发展、冻胀稳定发展、融化回落3个阶段.2012年11月至2013年1月间为1 2周期,表现为冻胀快速发展期,但部分地段10月底开始冻结.路基冻结后,冻胀变形快速增大,路基冻胀量基本在这一时间段内完成.2013年1-3月间为2 3周期,表现为冻胀稳定发展期,在这一时间段内,路基冻胀变形在达到最大后值基本保持不变,路基冻胀处于稳定状态,只有个别段落路基冻胀继续少量增长.1 2周期和1 3周期数据冻胀变形值各量段分布比例比较接近,这个阶段为整个冻融循环的前半程,即冻胀阶段.3 4周期(2013年3-5月间)为冻胀的融化回落期,这一时期路基变形95.5%为负值,说明这一时间段内路基发生了冻胀全面回落现象.从1 4周期的观测对比数据来看,全线路基变形量在正负2mm间的测点占总测点的85.0%,全线变形大于2mm的测点仅占1.8%,说明全线路基经过一个263冰川冻土36卷冻融循环后绝大部分回落到初始状态,回落幅度与冻胀高度基本一致;极个别地段产生了一定的冻胀残余变形,没有恢复到初始状态.这个阶段为冻融循环的后半程,是冻胀的反向过程,即融化阶段.典型断面的路基冻胀随时间发展变化曲线见图1.3.2冻胀变形与路基结构关系从表1中1 3周期的观测对比数据来看,全线路基冻胀量≤4mm的测点占总测点的61.1%,全线冻胀量<8mm的测点占88.3%,全线冻胀量>12mm的仅占3.1%,平均冻胀量约5mm.说明已采取的路基防冻胀措施发挥了有效作用,全线路基的绝对冻胀量大部分处于较低水平,处于可控状态.通过运营部门正常的维修和养护,线路状态整体平顺稳定,开通后的首个冬季在110d里经受了冬季持续低温和30多次雨雪天气的严峻考验,全线没有出现Ⅲ级及以上超限和临时限速,行车安全平稳.从1 3周期不同路基结构的统计数据还可以看出,当冻胀量≤4mm时,其比值关系为过渡段>路堑>路堤;冻胀量处于4 10mm时,其比值关系为路堤>路堑>过渡段;冻胀量>10mm时,过渡段的比例要远远小于路堤和路堑地段,其中路堤段比例也小于路堑段.说明全线冻胀程度与路基结构存在内在联系,路桥、路涵过渡段绝大部分为轻微冻胀,出现冻胀峰值的比例远远小于路堤和路堑地段;路堤地段冻胀变形也普遍小于路堑地段;路堑地段出现冻胀峰值的比例比路堤地段稍大,冻胀量极值也出现在路堑内.另外,从2 3周期不同路基结构的统计数据可以看出,冻胀量在1月初后发展的比例为路堑>路堤>过渡段,说明路堑后期冻胀发展的比例远高于路堤和过渡段,与路堤相比存在冻胀滞后现象,这与路堑的特殊结构及存在水分补给有关.3.3路基分层冻胀特征路基分层总冻胀量就是在整个冻结期间该分层土体产生的所有冻胀量的累积,根据以往研究结果,路基分层总冻胀量沿冻结层深度逐渐减小,在封闭系统下,80%左右的冻胀量是由路基表层到2/3冻结深度内土体产生[13].根据哈大高铁路基结构特征,可以将路基冻胀变形大致分为路基上层冻胀变形(基床表层级配碎石层冻胀)和路基下层冻胀变形(基床底层和路基本体冻胀).在第2期人工观测时,沿线平均冻深在1m左右,考虑到路基冻胀变形存在一定的滞后时间,因此,1 2周期的观测数据基本反映了路基上层的冻胀变形情况,2 3周期的观测数据反映了路基下层的冻胀变形情况.从表1中2 3周期的观测对比数据来看,97.0%的测点冻胀增值在4mm以下,说明冻胀主要在1 2周期完成,全线路基的冻胀变形以上层冻胀为主,基床表层级配碎石层冻胀量占总冻胀量的平均值为64%,最大达到90%以上.这是由于基床表层底部两布一膜隔断层的存在,冻融季节时表水在此汇集后不能有效向外排出,导致隔水层上部的路基级配碎石层发生较强烈冻胀变形,受不同地质、水文条件和填料影响,其冻胀量存在一定的波动.同时,两布一膜对减小路基下层的冻胀发挥了积极的作用,路基后期冻胀量增长较小.哈大高铁全线穿越季节冻土区,其中大连-营口段为东北东部山地干润季节冻土亚区,营口-公主岭段为辽河平原干润季节冻土亚区,公主岭-哈尔滨段为松嫩平原干润季节冻土亚区.从气温来分,沈阳以南属于寒冷地区,沈阳以北属于严寒地区.表3为按哈大客专沿线季节冻土区域分布及气候分区情况,将观测数据按大(连)-营(口)、营(口)-沈(阳)、沈(阳)-公(主岭)、公(主岭)-哈(尔滨)分4个区段进行统计.对比表3中1 2周期观测数据,大连-营口段冻胀变形小于4mm的比例占81.4%,几乎为其他3个区段的两倍,说明路基上层部位的冻胀变形与区域冻深有较密切的关系.冻结指数小的地段,其路基上层冻胀变形小;冻结指数大的地段,其路基上层冻胀变形大,且占路基冻胀变形的绝大部分.从2 3周期数据来看,各区段的冻胀增值没有因地域的改变而改变,而是与全线整体水平基本一致,路基冻胀变形(即上层冻胀)大部分在2013年1月以前已完成.轨检车动检数据Ⅱ级超限处所的分布范围也与人工观测数据相对应且基本固定,说明路基上层冻胀变形稳定后,其线路状态也基本稳定,路基下层冻胀变形对线路状态影响相对较小.因此,控制路基上层冻胀变形尤其是路基基床表层的变形,是后续冻胀整治、线路维护的重点.3.4冻胀变形沿线路变化特征2012年2月采用轨检小车和CPⅢ精测网对全线路基轨面高程进行了复测,结果与2011年冻结期前的测量数据进行对比,其差值视为2012年的冻胀量.沿线路方向将路基每20km划分成一个区段,图2为2013年人工观测和2012年复测后各区段内路基冻胀量的最大值、平均值分布和变化3632期石刚强等:严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析表3不同气候区路基冻胀变形统计Table3The frost heaving deformations of subgrades in different climate zones变形值/mm1 2周期数据/%大连-营口营口-沈阳沈阳-公主岭公主岭-哈尔滨2 3周期数据/%大连-营口营口-沈阳沈阳-公主岭公主岭-哈尔滨<481.440.052.735.197.293.497.9094.4 4 610.121.826.418.31.84.81.703.4 6 84.016.912.611.10.61.20.262.2 8 102.210.35.713.00.20.30.120.0 10 121.56.01.89.10.10.30.020.0>120.85.00.813.40.10.00.00.图2路基冻胀变形沿线路变化情况Fig.2The frost heave deformations of the subgrades along the railway情况.哈大高铁路基由南到北,冻结期逐渐变长,冻结指数和冻深基本沿线路方向呈增加趋势,扶余土壤最大冻深达到2.05m.哈大高铁开通后的第一个冬季,受强冷空气影响,低温天气持续时间长,沿线最低气温达到-35ħ.由图2可知,最大冻胀量、平均冻胀量沿线路方向波动变化,2012年全线路基最大冻胀量在沈大段,2013年最大冻胀量在沈哈段.虽然沈哈段路基冻深普遍较大,但监测断面大部分最大冻胀量与沈大段相当,平均冻胀量略大于沈大段,说明冻胀和冻深之间联系不紧密.此外,2013年路基平均冻胀量整体大于2012年的水平,这可能与2013年入冬较早、平均气温偏低有一定关系,但是绝大多数路基冻胀峰值又明显小于同地段2012年的水平.说明路基冻胀在采取增设盲沟、改善表层防排水条件等一系列措施后得到了一定程度的抑制和缓减,冻胀变形较2012年相对均匀.从表3统计数据来看,对于沈大段、沈哈段来说,虽然路基冻胀量≤8mm的总比例基本一致,但是沈大段≤4mm的比例要明显大于沈哈段,主要集中在大连至营口段;冻胀量在4 6mm、6 8mm间的比例沈大段要明显小于沈哈段.营口至沈阳段、公主岭至哈尔滨段虽然路基段落和长度较少,但冻胀变形大于8mm的比例较高,2012、2013年两个区段冻胀峰值均在营口、长春附近出现,在后期监测和养护维修中需要重点关注.3.5路基填料改性对冻胀变形影响哈大客专路基路涵、路桥过渡段采用倒(正)梯形设计,填料采用级配碎石掺3% 5%的水泥进行填筑.从全线路基冻胀变形总体统计情况看出,1 3周期路桥、路涵过渡段冻胀变形≤4mm的比例为73%,要明显大于其他路基地段,而>4mm 的比例要明显小于其他路基地段,说明过渡段路基冻胀变形相对较小;2 3周期过渡段冻胀变形≤4mm的比例为99%,冻胀变形在后期达到稳定后没有继续发展.同时对路桥过渡段距桥台10m 内和10m外的凸型挡台变形观测值分别进行统计,从表4可知,距桥台10m内变形≤4mm的比例明显大于距桥台10m外的冻胀变形,其他量值范围在距桥台10m内变形基本均小于距桥台10m外的冻胀变形,说明冻深范围内全部比局部(基床表层)463冰川冻土36卷为级配碎石掺水泥地段冻胀变形要小.哈大客专在设计过程中,对于个别短路基地段的基床表层(厚0.4m)直接采用级配碎石掺水泥进行填筑,全线共有4段路基基床表层采用级配碎石掺水泥进行填筑,有2段路基(K900和K1002段)基床部分(厚2.7m)填料全部采用级配碎石掺水泥进行填筑以满足这些段落路基与刚性结构物之间的过渡.表5为级配碎石掺水泥路基段落变形情况统计,从表5可知,82个观测断面中仅1个监测断面冻胀变形值稍大于4mm,所有段落的冻胀量与附近路基相比明显较小;基床部分填料全部采用级配碎石掺水泥进行填筑地段,64个观测断面最大冻胀量仅0.4mm,路基总体变形表现以轻微沉降为主.综上,采用级配碎石掺水泥填筑的过渡段和短路基的冻胀量明显小于一般路基地段,且基本都在4mm以下.因此,采用级配碎石掺水泥改性填料填筑路基,是减小路基冻胀的一种有效工程措施,在后续严寒地区或季节冻土地区高速铁路设计中,将路基基床表层或冻深范围内路基改性为不冻胀整体结构的思路是可行的.3.6冻胀变形与板缝对应关系全线凸台测点中,有3921个测点与该处底座板的伸缩缝位置相对应,5720个测点处无伸缩缝.表6为全线路基冻胀变形与板缝对应情况统计,根据表6中1 3周期的观测对比数据来看,路基冻表4过渡段路基冻胀变形统计Table4The frost heaving deformations of subgradesin transition sections变形值/mm距桥台10m外过渡段/个数/%距桥台10m内过渡段/个数/%≤427787.923591.14 6175.5124.76 8123.862.38 1061.920.810 1200.000.0>1230.931.1表5级配碎石掺水泥路基段落变形情况统计Table5The deformations of the subgrades with graded crushed stones and cement admixture 段落里程长度/m断面/个最大值/mm最小值/mm平均值/mm K135段157.1172.8-1.01.3 K138段85.6134.02.73.4 K140段94.6462.60.81.4 K145段72.0024.40.422.4 K900段39.0040.4-0.7-0.2K1002 K1005段3300600.4-2.7-0.5表6路基冻胀变形与板缝对应情况统计Table6The frost heaving deformations of the subgrades in corresponding with the base-plate jointing parts 变形值/mm1 2周期数据/%1 3周期数据/%2 3周期数据/%与底座板接缝关系≤453.856.996.80对应4 621.018.32.20对应6 811.711.00.60对应8 107.16.20.30对应10 123.53.60.07对应>122.94.00.03对应≤465.563.897.10不对应4 618.416.62.10不对应6 88.29.40.64不对应8 104.25.00.12不对应10 122.02.80.02不对应>121.72.40.02不对应5632期石刚强等:严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析胀量与是否位于底座伸缩缝处存在一定的对应关系.当冻胀量≤4mm时,其比值关系为对应<不对应;冻胀量>于4mm时,其比值关系为对应>不对应,且比值随着冻胀量的增大而增大.说明全线冻胀程度与底座板接缝存在必然联系,底座板接缝处的路基冻胀程度和比例要大于非接缝处.受冻融期雨雪天气和座板伸缩缝封缝不良影响,接缝处存在地表水下渗途径和水分补给来源,为冻胀后期继续发展提供了条件,加剧了该处路基冻胀发生,造成对应于伸缩缝处路基的冻胀量大于不对应处路基冻胀量.另外,根据表6中2 3周期的观测对比数据来看,冻胀量增值>8mm的测点几乎全部位于底座板接缝处,但当路基完全冻结后,地表水下渗途径被切断,路基冻胀变形发展与地下水补给有关.所以,冻胀变形与板缝不再对应关联.4结论通过对哈大高速铁路路基冻胀变形首个冻融循环周期全线监测数据的分析,得出以下结论:(1)沿线路基监测断面的冻胀变形随时间发展变化过程大致分为冻胀快速发展期、冻胀稳定发展期和融化回落期3个阶段.路基冻胀变形在迅速增长达到峰值后基本保持不变,经过一个冻融循环后路基基本恢复至冻胀前的初始状态.(2)全线路基虽普遍发生了不同程度的冻胀变形,但绝对冻胀量较小,处于可控状态,已采取的路基防冻胀措施发挥了有效作用.路基冻胀程度与路基结构存在内在联系,用级配碎石掺水泥填筑的过渡段和短路基冻胀较轻微,路堤次之,冻胀量最大值出现在路堑内.底座板接缝处的路基冻胀程度和比例要大于非接缝处.(3)全线路基的冻胀变形以基床表层冻胀为主,路基冻胀变形大小沿线路方向波动变化,与冻深没有密切关系.(4)减少路基表水下渗、控制基床表层变形,是后续冻胀整治、线路维护的重点.并建议在季节性冻土区高速铁路设计中,增加以桥代路段落,将路基表层改性为不冻胀整体结构(采用级配碎石掺水泥或素混凝土),以减小路基冻胀的发生.参考文献(References):[1]Ministry ofRailways of the People'sRepublic of China.TB 10020-2009,Code for Design of High SpeedRailway[S].Bei-jing:ChinaRailway Publishing House,2009.[中华人民共和国铁道部.TB10020-2009,高速铁路设计规范(试行)[S].北京:中国铁道出版社,2009.][2]Lu Zuwen.Key technical problem of high-speed railway infra-structure[J].ChineseRailways,2004(8):11-13.[卢祖文.高速铁路基础设施的重大技术问题[J].中国铁路,2004(8):11-13.][3]You Changlong,Li Dianlong.Settlement and deformation of pa-ssenger dedicated line 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