针对铁路路堑区域风吹雪灾害问题，采用改进延迟分离涡湍流模型、合成涡方法及欧拉两相流模型，结合网格动态变形技术，实现路堑区域雪粒堆积外形的时程变化提取，并通过试验验证数值模拟的正确性。在此基础上，模拟分析均匀来流和湍流来流2种工况下路堑内流场结构、摩擦速度分布及积雪轮廓变化规律，研究湍流脉动风对高速铁路路堑区域积雪分布的影响。结果表明：2种来流条件下路堑区域迎风侧边坡积雪质量基本一致，但积雪质量增长速率与积雪分布特性存在较大差异；湍流来流延缓了路堑背风侧边坡区域大尺度涡系到涡对的转换，且在道床与背风侧边坡之间产生较强的侵蚀现象，进而降低了背风侧边坡和道床区域的积雪质量；相比于均匀来流工况，120 min时湍流来流工况下的路堑整体积雪质量降低24.8%，其中背风侧边坡区域积雪质量降低40.2%，道床区域积雪质量降低20.6%，迎风侧边坡区域积雪质量基本一致。
对高速公路两种半路堑路况进行Fluent数值模拟，分析风向夹角对半路堑积雪浓度的影响，得到半路堑积雪分布规律，为高速公路选线设计提供理论参考。结果表明：随风向夹角增大，背风半路堑积雪浓度整体为增加趋势，风向夹角为90°时积雪浓度最高，达到79.18 kg/m3,形成严重的风积雪灾害；迎风半路堑整体浓度浮动趋势在5 kg/m3以内，且积雪浓度在20 kg/m3以下，不足以形成风积雪灾害。在风吹雪灾害频发地区进行高速公路选线设计时，应减小公路与主风向之间夹角，减少风吹雪灾害的发生。
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。
针对地下水较为发育的季节性冻土区高速铁路路堑地段易发生路基冻胀的情况,采用数值模拟方法,运用SEEP/W软件,进行路基冻胀的井点降水整治研究。结果表明:抽水量为1.5m3·h-1的小型水泵在埋深为5～7m的条件下,连续工作约1.3～1.4h可将其周围的水位降至泵底;井点降水整治中,水泵埋深取为6.7m较为合理;取水泵合理的埋深为6.7m时,为在入冬前将路堑中的地下水位降低到3.8m,需抽水25d;入冬后为确保水位在最大冻深3.0m以下,并同时考虑到节能,可采取间隔抽水方式,而暂停抽水后路堑中心地下水位从3.8m回升到3m需要7.5d(水泵最大间歇时间),然后启动水泵再次将水位从3.0m降至3.8m的抽水时间需要6d。依据数值分析结果在试验段采用井点降水整治后,路基的最大冻胀量从2013年的11.6mm降至2014年的4.5mm,路基的冻胀整治效果较为显著,表明根据数值分析结果制定的井点降水整治方案是合理的。
以季节性冻土区哈大铁路客运专线路堑路基冻害为背景,通过原位挖探及室内试验,对石质路堑路基冻害成因及基岩冻胀主要影响因素进行了研究。结果表明:基床表层级配碎石各项物理指标符合非冻胀性填料要求,无明显冻胀;基岩冻胀是形成石质路堑路基冻害的主要原因;岩体渗透性、地下水、温度及工程条件等是基岩冻胀的主要影响因素。提出了设置地下降排水设施、增设防冻层和隔断层等工程对策防治路堑路基冻害。在今后铁路客运专线建设中,建议设计时在岩体等级确定、路基设计冻结深度选取方面应进行必要的修正;在渗水盲沟深度和防冻层厚度确定上应结合地下水位临界深度考虑加上最小距离d,建议岩石类d取0.4 m。
季节冻土区黄土路堑边坡经常出现的剥蚀病害,造成了严重的水土流失,污染了环境,同时也破坏了道路景观,影响了道路的正常运营。针对这一问题,在平凉至定西高速公路三处路堑边坡设置自动气象站,对黄土路堑边坡不同深度(5cm、20cm、50cm、100cm)土体的温度和含水率(体积)进行长期(2年)观测,试验(观测)发现即使在气温较低的冬天,边坡表层土体仍然存在冻融循环作用,从而引起边坡表层土体内含水率的变化。根据这一结果开展室内强度试验,发现冻融循环和由冻融循环引起的干湿循环会使原状黄土强度下降,表层土体疏松。现场观测和室内试验结果都表明冻融循环是导致季节冻土区黄土路堑边坡剥落的重要原因。此外,通过在平定高速公路的工程实践证明植被防护是一种有效的坡面防护型式。
研究目的:目前,多年冻土区路堑边坡防护方面开展的试验研究较少,缺乏设计、施工和应用效果等方面的研究成果。基于青藏铁路北麓河试验段柔性护坡试验工程的地温和变形观测资料,分析了泡沫玻璃护坡和草皮护坡下的地温发展变化规律和边坡纵向变形过程,阐述了两种柔性护坡防护工程的应用效果,希望为多年冻土区道路工程边坡防护设计、施工提供科学依据。研究结论:泡沫玻璃板短期内具有较好的保温效果,可以减小季节融化深度,有利于边坡的稳定。但泡沫玻璃护坡段冻结期发生了较明显的冻胀变形,并导致泡沫玻璃在外力下的破碎和断裂。考虑到其易风化,抗变形能力和适应性较差,该种泡沫玻璃不宜在多年冻土区路堑边坡防护工程中推广应用。草皮护坡段下的季节融化深度较大,但草皮护坡整体上大部分比较平整,变形较小,其变形适应性较好,可能是比较适宜在多年冻土区路堑工程中应用的边坡防护形式之一。
对青藏铁路北麓河试验段路堑边坡的三个断面进行了观测,并对沉降观测数据进行统计分析,得出多年冻土区路堑边坡沉降规律,提出了在施工和运营中减少沉降的建议,为今后多年冻土区路堑边坡施工及运营维护提供参考。
根据青藏铁路北麓河试验段路堤、路堑过渡带近5年来的地温和变形监测资料,分析挖方段、零填段及填方段的冻土上限变化和路基变形特性。研究结果表明:挖方段,2002和2004年的多年冻土人为上限均为1.6 m,相对原天然上限下降量为0.5 m,但在2005年冻土上限有所回升,其变形主要表现为路基换填土层的固结变形;零填段,冻土上限上升量较大,2005年上升量达2.5 m,其变形主要来自活动层的压密变形;填方段,冻土上限有所上升,2005年上升量为0.7 m,其变形主要为天然上限以下冻土层的压缩及蠕变变形;到2005年12月,此过渡带路基均没有发生融沉变形,路基热稳定性好;从总沉降变形量来看,路堤断面变形量最大,零填断面变形量次之,路堑断面变形量最小,2004年11月后,总变形已基本趋于稳定。路基纵向变形比率最大为1.3∶1 000,小于线路设计坡度的3∶1 000,路基纵向沉降变形比较均匀,路面平顺性较好,能满足列车安全行驶的要求。
