一种季节冻土区防冻胀高铁路基结构 |
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| 申请号 | CN202410007020.5 | 申请日 | 2024-01-03 | 公开(公告)号 | CN117646355A | 公开(公告)日 | 2024-03-05 |
| 申请人 | 中国科学院西北生态环境资源研究院; | 发明人 | 石亚军; 马巍; 穆彦虎; 杨成松; 张莲海; 刘富荣; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种季节冻土区防冻胀的高 铁 路基结构，该路基结构整体上截面为梯形，设计结构从上往下依次为 混凝土 层，隔 水 土工布，级配碎石层、保温层、防冻A/B填料层、普通A/B填料层、地基；其中在普通A/B填料层中设置渗水盲沟，并在普通A/B填料层底部铺设弧形土工布。隔水土工布阻止由混凝土层渗入的水分，减少向路基填料的水分渗入量；保温层通过阻止热量传递降低路基中的 温度 梯度，弱化 地下水 向路基迁移的驱动 力 ，减少水分迁移量；地基孔隙水在列车荷载作用下形成超静孔隙水压力，在弧形土工布的疏导下处于超静孔隙水压力下的孔隙水沿着弧形土工布切线方向迁移，减少地下水向路基填料中的迁移量。该高铁路基结构综合了主动控温和主动水分疏导的冻胀防治设计思路。本发明能够减少季节冻土区高铁路基冻胀病害的发生，提高季节冻土区高铁路基结构的长期 稳定性 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种季节冻土区防冻胀高铁路基结构，包括混凝土层（2）、隔水土工布（3）、级配碎石层（4）、保温层（5）、防冻A/B填料层（6）、普通A/B填料层（7）、弧形土工布（9）、地基（10），其特征在于：所述路基结构的横截面为梯形；所述地基（10）上面铺设3个渗水盲沟（8），相邻两个渗水盲沟（8）之间铺设弧形土工布（9）；所述弧形土工布（9）上面铺设普通A/B填料（7）；所述普通A/B填料（7）上面铺设防冻A/B填料（6）；所述防冻A/B填料（6）上面铺设保温层（5）；所述保温层（5）上面铺设级配碎石层（4）；所述级配碎石层（4）上面铺设隔水土工布（3）；所述隔水土工布（3）上面铺设混凝土层（2）。 |
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| 说明书全文 | 一种季节冻土区防冻胀高铁路基结构[0001] 技术领域：本发明涉及一种高铁路基结构，具体是指一种季节冻土区防冻胀高铁路基结构。 [0002] 背景技术：我国北方大部分地区是季节冻土区，季节冻土区的高铁路基冻胀病害一直是困扰路基建设和安全稳定运营的一个重要问题。季节冻土区的高铁路基受气温的周期变化和列车循环荷载作用影响，高铁路基的冻胀变形量将越来越大，对高铁的高效安全运行造成严重威胁。 [0003] 高铁路基冻胀的形成原因是采取经济、高效防冻胀措施的重要遵循。高铁路基冻胀的主要原因是负温梯度下水分迁移形成的分凝冰破坏了原来路基填料层结构，导致路基整体发生变形。土体中形成分凝冰的条件是始终有水分向冻结锋面附近迁移并发生相变。高铁路基中水分迁移过程主要存在两种形式：其一在负温梯度作用下，路基填料中水分以水汽形式向冻结锋面附近发生迁移；其二是列车循环荷载作用导致高铁路基下部的地下水位以下的饱和土体中形成超静孔隙水压力，在列车通过时，超静孔隙水压力促使水分向路基填料中迁移，增加了高铁路基填料的水分，促进分凝冰不断生长（文献“盛岱超,张升,李希.高速列车与路基冻胀相互作用机理[J].岩土工程学报,2013,35(12):2186‑2191.”中提及）。 [0004] 解决高铁路基冻胀病害的关键是阻止路基填料层中形成分凝冰。根据上述的冻胀病害形成原因，高效防治冻胀措施的设计思路有：（1）控制路基填料的温度，弱化负温梯度对水分的驱动效应，减少向路基填料的水分迁移量；（2）疏导因列车荷载引起的超静孔隙水压力驱动水分向路基填料迁移的过程，改变水分迁移路径，减少向路基填料的水分迁移量，阻止路基填料中分凝冰的形成。尽管已有专利如“季节性冻土区路基的防冻胀结构体及其铺筑方法”、“多年冻土地区铁路防冻害路堤结构设计”、“一种新型多年冻土地区路基结构”、“一种季节性冻土区防路基冻胀的新型纳米热棒高铁路基”、“一种冻土区保温高铁路基基床”等和文献“盛岱超,张升,李希.高速列车与路基冻胀相互作用机理[J].岩土工程学报,2013,35(12):2186‑2191.”中均提到了路基设计结构，但是在一定程度上未充分考虑因荷载导致水分迁移引起的冻胀和地下水流失引起的路基沉降。 [0005] 发明内容：针对季节冻土区高铁路基冻胀病害，本发明目的在于结合冻胀病害形成机理，提出一种用于季节冻土区防冻胀病害的高铁路基结构，该结构能够减少冻胀病害对高铁路基变形破坏的影响，提高高铁路基的长期稳定性。 [0006] 为实现上述发明目的，本发明提出了一种季节冻土区防冻胀高铁路基结构，所述路基结构的横截面为梯形，从上往下依次为混凝土层，隔水土工布，级配碎石层、保温层、防冻A/B填料层、普通A/B填料层、地基。 [0007] 上述地基上面铺设3个渗水盲沟，相邻两个渗水盲沟之间铺设弧形土工布；所述弧形土工布上面铺设普通A/B填料；所述普通A/B填料上面铺设防冻A/B填料；所述防冻A/B填料上面铺设保温层；所述保温层上面铺设级配碎石层；所述级配碎石层上面铺设隔水土工布；所述隔水土工布上面铺设混凝土层。 [0008] 上述渗水盲沟是混凝土预制结构，是由上部的不透水三角形混凝土结构和底部的可透水混凝土弧形凹槽两部分连接构成。 [0009] 上述可透水混凝土弧形凹槽上设有透水孔，使其能够透过液态水。 [0010] 上述级配碎石层、防冻A/B填料层和普通A/B填料层中的颗粒粒径及其铺设厚度要符合相关高铁路基设计规范。 [0011] 上述保温层为硬质保温板，其作用是阻止地面与路基内部的热量交换，减小路基填料内的温度梯度绝对值。 [0012] 上述渗水盲沟在水平方向的位置不应设在列车荷载垂直作用区，且相邻两个渗水盲沟之间的中心距离至少大于列车荷载垂直作用范围。 [0013] 上述可透水混凝土弧形凹槽下方的填料为普通A/B填料，该处的普通A/B填料层厚度为20cm 30cm。~ [0014] 上述弧形土工布和隔水土工布应具有高效隔水性能、较长使用寿命的特征，不局限于常见的土工隔水材料。 [0015] 本发明的特点及其优点在于：1、当有列车荷载作用时，普通A/B填料层底部铺设的弧形土工布可以疏导超静孔隙水压力作用下的液态水迁移至弧形土工布中轴线的两侧，引导部分液态水迁移至渗水盲沟。 [0016] 2、渗水盲沟能够储存超静孔隙水压力作用下由弧形土工布疏导迁移而至的液态水，减少了向路基填料中的水分迁移量，这部分液态水是透过渗水盲沟底部可透水混凝土弧形凹槽迁移至渗水盲沟中的。 [0017] 3、本发明通过在防冻A/B填料层上方铺设硬质保温板阻止了热量传递，弱化了温度梯度作用对水分迁移的影响；同时采用渗水盲沟和铺设弧形土工布疏导因列车荷载导致的超静孔隙水压力作用下水分向路基的迁移过程。本发明的防冻胀高铁路基结构是主动控温和主动水分疏导冻胀防治设计思路的综合体现，能够极大程度上减少冻胀病害对高铁路基稳定性的影响。 [0018] 4、列车荷载消失后，地基土中的超静孔隙水压力消散，因上述超静孔隙水压力作用流入渗水盲沟中的水分通过渗水盲沟底部可透水混凝土弧形凹槽回流到地基土中，减少了因地下水损失而造成对路基的沉降破坏。附图说明 [0019] 为了更加具体的说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细说明：图1是实施例中的季节冻土区防冻胀高铁路基结构的剖面示意图； 图2是实施例中设置在普通A/B填料层中的渗水盲沟的结构示意图； 图标：1‑铁轨；2‑混凝土层；3‑隔水土工布；4‑级配碎石层；5‑保温层；6‑防冻A/B填料层；7‑普通A/B填料层；8‑渗水盲沟；9‑弧形土工布；10‑地基；11‑不透水三角形混凝土结构；12‑可透水混凝土弧形凹槽。 [0020] 具体实例方式：请结合参照图1、图2，本发明提供了一种用于季节冻土区的防冻胀高铁路基结构，该发明综合采用了主动控温和主动水分疏导的设计思路，可以有效减少因温度梯度和列车荷载作用下向路基填料的水分迁移量，能够显著的阻止季节冻土区高铁路基填料中分凝冰的形成，有效地防治高铁路基冻胀变形，提高季节冻土区高铁路基的稳定性。 [0021] 本发明的施工工艺如下：步骤A：平整和夯实地基土10； 步骤B：根据路基的设计线路，在地基10的上面开挖用于铺设弧形土工布的凹槽，并铺设弧形土工布9； 步骤C：在弧形土工布9两端铺设3个可透水混凝土弧形凹槽12，并在3个可透水混凝土弧形凹槽12的下面均铺设一层厚度为20cm的普通A/B填料7； 步骤D：在3个渗水盲沟8底部的可透水混凝土弧形凹槽12的上面拼接不透水三角形混凝土结构11； 步骤E：在弧形土工布9和不透水三角形混凝土结构11的上面铺设普通A/B填料7，其厚度根据高铁路基设计规范执行； 步骤F：在普通A/B填料7的上面铺设防冻A/B填料6，其厚度根据高铁路基设计规范执行； 步骤G：在防冻A/B填料6的上面铺设一层保温层5； 步骤H：在保温层5的上面铺设一层级配碎石层4，其铺设厚度根据高铁路基设计规范执行； 步骤I：在级配碎石层4上面铺设一层隔水土工布3； 步骤J：在隔水土工布上面铺设一层混凝土层2，其铺设厚度根据高铁路基设计规范执行； 实施例 [0022] 如图1所示，本发明的季节冻土区防冻胀高铁路基结构从上往下依次为混凝土层2，隔水土工布3，级配碎石层4、保温层5、防冻A/B填料层6、普通A/B填料层7、地基10。 [0023] 在普通A/B填料层7和地基10的界面处设置渗水盲沟8，在相邻两个渗水盲沟8之间铺设弧形土工布9。 [0024] 混凝土层2的路面坡度应不小于4%，路基结构两侧的坡度为1:1.75。 [0025] 隔水土工布3铺设在混凝土层下面，其作用主要是阻止来自混凝土层的水分渗入到路基填料中，减少路基填料中的水分含量，有效遏制路基填料中发生冻胀。 [0026] 级配碎石层4、防冻A/B填料6、普通A/B填料7的颗粒粒径及其厚度的选择需要结合路基实际情况，按照高铁路基设计规范执行。其中防冻A/B填料6的作用是抑制路基中液态水迁移，阻止路基填料中形成分凝冰。 [0027] 在保温层5铺设硬质保温板，在路基边坡的隔水土工布下面铺设硬质保温板，硬质保温板厚度为80mm，具有较高热阻的保温板能够阻止环境与路基之间的热量交换，降低路基内部的温度梯度，弱化温度梯度对路基中水分迁移的驱动效应，减少地基中的水分向路基填料中迁移，有效遏制在路基填料中形成分凝冰，防止路基冻胀变形的发生。 [0028] 在普通A/B填料层7的底部，设置三个渗水盲沟8，为了保证路基承载性能，渗水盲沟8在水平方向的位置不应设在列车荷载垂直作用区，相邻两个渗水盲沟8的中心距离至少大于列车荷载垂直作用范围。在垂直方向上，渗水盲沟8的上部的不透水三角形混凝土结构11在普通A/B填料层7中，渗水盲沟8的底部的可透水混凝土弧形凹槽12在地基10土中。 [0029] 渗水盲沟8的大小在保证满足路基承载性能的前提下，根据地基地下水及其路基最大荷载实际情况进行确定。 [0030] 如图2所示是渗水盲沟8的结构示意图，渗水盲沟8是由上部不透水三角形混凝土结构11和底部可透水混凝土弧形凹槽12两部分连接构成。渗水盲沟8为混凝土预制结构，在施工过程中将其依次连接即可。 [0031] 另外，渗水盲沟8设置成三角形的目的是增强其强度，使其能承受上覆荷载，而渗水盲沟8底部的可透水混凝土弧形凹槽12上打孔形成贯穿的透水孔，使其能够透过液态水。为了尽可能的避免地基10中的泥浆堵塞渗水盲沟8底部可透水混凝土弧形凹槽12的透水孔，在可透水混凝土弧形凹槽12下面铺设一层厚度为20cm的普通A/B填料7。 [0032] 在普通A/B填料层7底部铺设的弧形土工布9，当列车荷载作用至路基时，在地基10的饱和孔隙水形成超静孔隙水压力，弧形土工布9的作用是疏导超静孔隙水压力作用下的液态水迁移至弧形土工布9中轴线的两侧，引导部分液态水迁移至渗水盲沟8，阻止液态水向路基填料层中迁移，抑制路基填料层中分凝冰的形成，减少路基冻胀变形。 [0033] 在路基轨道上无列车通过时，列车荷载作用消失，地基10中的超静孔隙水压力消散，因上述超静孔隙水压力作用迁移至渗水盲沟8中的液态水通过可透水混凝土弧形凹槽12回渗到地基10中，避免了因地基中液态水损失造成的路基沉降，保障了高铁路基的长期稳定性。 |
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