为解决目前寒区路基冻胀病害难以根除和缺少冻胀灾后抢险措施的难题，设计了一种寒区路基地源热泵系统。结果表明：路基热泵宜采用直接膨胀式换热形式，实体装置可以自动化地输出40、 50、 60℃等不同水平供热温度，制热系数大于3.0,实现对地热能的高效收集、转化与传递。热泵运行第1、 5、 10 d的热作用半径分别达到0.76、 1.64、 2.30 m。案例模拟表明，在天然条件下路基中心冻结深度为0.89 m;而在人工供热条件下，冻结深度减小至0.2 m以内，土体升温幅度和热扩散范围随供热温度的提高而增大。实际应用中，面向冻胀快速解冻与应急抢险时，热泵沿路基纵向间距宜取2.0～4.0 m,供热容量设计为1.0～2.0 kW。

针对季节性冻土区路基冻害问题,提出引入人工供热技术,构建新型主动供热式路基。在对比各类热源技术特征与资源条件的基础上,设计与制作一款路基专用地源热泵型供热装置。装置采用直接膨胀式换热形式,换热器为小直径螺旋盘管,便于机械化钻孔布设与"孤岛"运行,通过模型试验研究其制热性能及能效性影响规律。结果表明,季节性冻土区的地热能利用具有良好的技术性和资源性条件,装置在冬季的供热温度可达50℃以上,吸热温度可达-10℃以下。土体热扩散率与升温幅度随着与热泵距离的增大而减小,日均有效制热系数(COP)先增大、后减小,最大COP可达4.16。热泵制热性能受到供热段土体温度的显著影响,环境温度对其影响不显著,供热性能稳定。面向单线铁路路基快速解冻抢险时,建议热泵布置间距取1.5 m～3.0 m,供热容量宜设计为0.6 kW～1.8 kW,长期运行时应合理控制启停时间比例与供热温度水平。

针对寒区路基冻胀问题,提出一种路基专用地源热泵型供热装置,构建能够主动控制热量收支和温度变化的"热能转化式"路基。为明确热泵冷凝器型式和运行模式对换热温度的影响,设计两种冷凝器盘管方案,并进行4种不同启停比的试验测试。结果表明:在连续运行模式下,冷凝器铜管螺旋间距为20 cm时,最高冷凝温度可达45℃,平均供热温度为40℃。蒸发温度可达-10℃以下,并随着冷凝温度的提高而降低。当螺旋间距为5 cm时,平均供热温度为70℃,蒸发温度随着冷凝温度的提高呈先降低、后升高的规律,冷凝器周围容易出现热堆积现象。随着启停比的减小,供热温度逐渐降低,但制热系数逐渐升高。在设计阶段应合理选择换热器盘管间距,在运行阶段合理控制启停比,从而实现对冷凝温度的动态调控。

穿越广袤季节性冻土地区的高速铁路都必将面临路基冻胀问题,也是变形控制难点之一,是高速铁路对路基提出的更高要求,特别是无砟轨道,冻胀变形极大增加了路基冬季冻胀变形控制的技术难度。鉴于铁路路基冻胀监测与研究重要性,文章对近年来季节冻土区铁路路基冻胀研究进展情况展开了详细的分析,并且提出了具体的研究方案,希望对有关研究提供一定的参考价值。

针对目前铁路路基结构的作用效果受季节性冻土区问题影响,本文以实际工程项目为例,采用试验方法,分析了两组粗颗粒填料中粉黏粒含量对结构冻胀特性的影响,并提出了换填法作用于抑制季节冻土区铁路路基冻胀计算模型构建与计算结果分析,其目的是为相关建设者提供一些理论依据。

哈大(哈尔滨—大连)高铁是我国第一条季节性冻土区无砟轨道高速铁路,抑制路基冻胀变形是保证轨道结构稳定的必要条件。哈大高铁在建造过程中,通过前期控制和后期补强,将路基冻胀变形控制在有限范围内,保证了运营安全。本文根据哈大高铁路基冻胀深化研究成果及监测数据,对哈大高铁路基冻胀规律及工程特点进行总结,对路基防冻胀设计中填料冻胀特性的辨识、路基冻结深度的选取与修正、级配碎石掺水泥的冻胀特性、既有路基防排水结构的优劣等问题进行了探讨,从工程应用方面提出了建议。

高速铁路对轨道平顺性具有非常高的要求,在季节冻土区建设的铁路面临着路基冻胀问题,由路基冻胀引起的轨道变形严重影响了高速铁路运行的安全性与舒适性.通过对比其他学者关于路基冻胀的处理与防治方法,提出了采用水泥稳定级配碎石代替普通级配碎石作为基床表层填料,同时在路基边坡铺设保温护坡的方法来防治路基冻胀.根据哈大客运专线季节冻土区的地质及气候条件,采用有限元数值仿真方法分析路基基床表层采用水泥稳定级配碎石和在路基边坡加设保温护坡后对路基温度场的影响.并将分析结果与哈大客运专线的现场实测结果进行了对比,验证了有限元数值仿真结果的可靠性,分析结果表明:在基床表层换填水泥稳定级配碎石,同时在路基边坡铺设3.0 m高、2.5 m宽的保温护坡后可以有效缓解路基的冻胀,与无任何保温措施的普通路基相比,路基中心处的最大冻结深度减小了0.5 m,路肩处的最大冻结深度减小了1.1 m.

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。

季节冻土区修建高速铁路的主要问题是路基冻胀.依托我国东北、华北多个高速铁路路基冻胀监测工作实践,研究了一套冻胀监测系统的构建方法并成功应用于哈齐客专、大西客专、牡绥线等路基冻胀监测工作中.综合监测成果,对高速铁路路基冻胀规律进行了分析,对冻胀原因进行了总结.结果表明:冻胀监测系统应充分考虑严寒、低温、高速条件下,利用先进传感器及物联网技术来实现各子系统集成;季节冻土区铁路路基冻胀存在一定规律可循,季节冻土区铁路路基冻胀不可避免但是可控.填料质量是防冻胀控制的根本,施工质量过程管控是基础保障.

基于Harlan模型和Darcy定律,并考虑温度梯度对水分迁移影响、温度和含水量对水热参数影响以及各种环境气候因素的影响,建立了完全依赖气象资料和水热参数的风积沙土路基冻结过程中水热耦合迁移数学模型,采用全隐式有限差分格式和TDMA迭代法对内蒙古锡林浩特地区沙漠公路207国道K135+000处冻结期间路基水热迁移规律进行了数值模拟.结果表明:该地区道路冻结深度随时间近似线性变化,冻结速度达到2～3 cm.d-1,最大冻深为3 m左右,冻融时间约为180 d;水分迁移主要发生在冻结锋面附近,从未冻区向冻结区迁移,且随着冻结锋面前移,迁移量逐渐增大;整个冻融期间最大冻深底部层位含水量变化较大,路面下0～50 cm范围内温度变化比较剧烈.