新型管幕冻结法冻结系统由充填混凝土的实顶管内布置圆形主力冻结管和限位管、未充填混凝土的空顶管内布置异形加强冻结管组成。为分析该新型管幕冻结系统中空顶管周围的冻结效果,通过拱北隧道管幕冻结现场原型试验,对空顶管中异形加强冻结管是否采取外表面保温措施展开研究,利用冻土帷幕厚度的变化对异形加强冻结管保温措施与不保温状态进行冻结效果对比分析。结果表明:异形加强冻结管保温不利于冻土帷幕的形成,随着冻结时间推移,冻土帷幕的发展会越来越慢;协同冻结模式下60 d后保温与不保温的冻土厚度之差约为冻结20 d的2倍。可以把空顶管作为“大冻结管”来考虑,利用异形加强冻结管对空顶管内部整体降温,更有利于顶管周围冻土帷幕的发展。
基于地源热泵的人工供热方法是寒区路基冻害防控的一种新措施。该文建立路基专用热泵的稳态热力计算模型，用于热泵选型匹配与优化设计。建立主要部件压缩机、冷凝器、节流器、蒸发器的结构参数与环境参数、制冷剂状态参数之间的函数关系，提出子模型间耦合方法，基于Python语言编制程序。首先，选择压缩机和制冷剂类型，拟定供热温度和集热温度；然后，依次调用4个子程序，以部件目标参数的计算值与拟定值是否相等为收敛判据，以制冷剂状态参数的计算值与拟定值是否相等为终止判据。循环计算收敛时对应的部件结构参数即为优化结果。文中选择准池铁路某冻害路基设计供热方案，验证程序可靠性。结果表明，热泵性能达到预设水平，保证了路基供热方案的有效性。
针对高寒地区混凝土结构出现不同程度的裂缝，分别从低温大风、冻融循环及养护措施对裂缝影响的原因进行详细分析。本文选取了柔性环氧树脂、聚氨酯、改性FEVE氟碳材料和聚合物水泥4种混凝土裂缝修补材料开展了相应的环境相容性力学性能试验研究，并将室内试验研究结果应用于实体工程。研究结果表明：柔性环氧树脂注浆材料和改性FEVE氟碳材料表面封闭材料的各项力学性能最优，并在高寒地区修补混凝土裂缝具有很好的环境相容性。
以高寒冻融区牡丹江—佳木斯高速铁路沿线典型的路堑工程为研究对象,通过现场试验、数值模拟和理论分析相结合的手段,研究了寒区高速铁路路堑工程温度场随时间演化的一般特性,分析了积雪覆盖对基床水热状态的影响,讨论了影响路堑边坡失稳的因素。结果表明:路堑的冻结过程为自上向下的单向冻结,而融化过程分别为自上向下和从下向上的双向融化;厚积雪覆盖会对基床起到保温作用,有利于降低最大冻结深度,但融雪水的入渗将导致基床产生峰值冻胀或翻浆冒泥病害;寒区边坡的失稳滑塌主要发生在冻融交界面处。为保证深季节冻土区高速铁路的长期服役性能,建议在基床表层铺设防渗吸热材料(沥青混凝土封闭层)来控制基床的总冻胀量。
为探求川西高原季节性粗颗粒冻土道路边坡普遍出现不同程度表层破坏的原因,选取康定新都桥附近公路边坡,采用多种测试手段,对边坡的变形、气温、地温和地下水变动等特征进行长期现场观测试验。研究结果表明:边坡土体冻融仅发生在边坡的浅表层,冻融深度大致在0.5～1.0 m之间;边坡最大变形方向与地下水流向存在明显的相关性;气候特征,特别是降雪与边坡的破坏有直接关系。在冻结融化和积雪消融条件下,试验边坡变形突增,直至在坡面表层1 m范围内产生滑塌。川西高原季节性粗颗粒冻土边坡的破坏,是表层冻融和融雪下渗的结果。
合理的防冻胀基床结构是季节性冻土地区高速铁路防冻胀的关键。本文通过开展哈大高速铁路正线与线外现场足尺试验,对局部保温措施与全断面保温措施的有效性进行了研究。试验结果表明:路肩和线间局部保温措施只能减小保温部位的冻结深度和冻胀,不能抑制轨道结构处的冻胀,不适用于季节性冻土地区高速铁路防冻胀设计;全断面保温措施能够降低轨道结构处的冻结深度和冻胀,有较好的防冻胀效果,季节性冻土地区高速铁路路基可采用全断面保温基床结构进行防冻胀设计。
以季节冻土区青藏铁路环青海湖段路基冻害为背景,通过选取典型冻害断面,从水分、温度和土性三个方面分析了环湖段路基冻害成因。根据路基病害处理中成熟应用的注浆和注盐法,提出采用钻孔埋管注盐法整治路基病害技术,通过现场冻胀观测,检验注盐法整治路基的有效性。结果表明:环湖段路基冻害主要是由于路基土体内存在一层低液限低渗透性的粉质黏土,黏粒含量高,含水率大,冻深最大为1.5 m,粉质黏土层冻结,引起路基冻胀。结合现场试验段,对用盐量、盐的成分、施工工艺与参数提出合理的施工建议。现场冻胀监测表明,钻孔埋管注盐段路基的冻胀量明显降低,可用于季节冻土区路基冻害的整治治理。
为了解路基填筑对路基下多年冻土热状况的影响程度,在国道214沿线典型地段设置了监测断面,在天然场地路基中心、左右路肩及左右坡脚等处布设了测温孔。采用现场监测和数值模拟相结合的方法,分析了国道214沿线路基下伏多年冻土热状况长期变化情况。研究结果表明:多年冻土区修筑普通路基以后,多年冻土地温逐渐升高,路基下多年冻土发生快速融化;开始融化的时间提前,完成回冻的时间有所延后;针对K369+210断面,左路肩、路基中心以及右路肩下8m处升温速率分别为0.040,0.050,0.047℃·年-1,人为上限下降速率分别为16.82,25.36,16.73cm·年-1;在考虑全球气温升高的情况下,多年冻土温度持续升高,路基下多年冻土处于持续退化状况;年平均地温越高,人为上限下降的幅度越大;在路基运营30年内,多年冻土上限仍处于下降状态,这将严重威胁多年冻土路基的安全运行;需要及时采取措施主动冷却路基来保护冻土,避免产生更大的融沉变形,从而保障路基正常运营。
针对XPS板隔热层在多年冻土区路基中应用的适宜性展开研究,分析了XPS板路基形式的温度随深度、宽度和时间的变化情况。结果表明:各个测点的地温年变化近似均呈现正弦分布形式,且地温周期大致相同;各个测点的全年温差随深度增加均减小,可推断出活动层厚度;路基横断面对称位置处呈现不对称性,可能导致路基的不均匀变形。研究成果可进一步为类似工程提供依据。
