季冻区高速铁路无砟轨道平稳性控制理论与技术_赵国堂著_9787547851753

本书将季冻区高速铁路无砟轨道平稳性控制问题凝练为路基温度效应和无砟轨道温度效应影响问题及平稳性保持问题，系统阐述了作者及其研究团队Z新研究成果。全书共6章：第1章介绍了季冻区高速铁路及无砟轨道发展概况，阐明了高速铁路无砟轨道平稳性概念和内涵；第2章探明了高速铁路路基基床表层冻胀作为冻胀变形源的一般规律，试验发现了基床表层粗粒土填料中细颗粒呈簇团分布且是主要持水结构的特征，揭示了细颗粒簇团冻结膨胀推动路基上拱变形的冻胀机理；第3章解析了路基冻胀变形与无砟轨道平稳性的映射关系，提出了基于细颗粒簇团率控制的的冻胀效应控制技术路线，揭示了透水型和防水型路基结构防冻胀机理；第4章阐述了季冻区无砟道床夏季日温差及正负温度梯度Z大的基本特征，提出了季冻区整体温度和温度梯度等温度场特征值建议值；第5章探明了单元板式无砟轨道温度翘曲变形与温度梯度线性正相关关系以及离缝伤损规律，提出了轨道板容许拉应力对应的温度梯度临界值，揭示了结构层温度位移对钢轨应力的影响规律，提出了季冻区无砟轨道温度效应的控制措施；第6章分析了季冻区高速铁路无砟轨道不平顺周期性特征、离缝效应及材料抗冻性，提出了适度平顺维护技术，介绍了轨道不平顺和离缝检测技术及板下充填层抗冻技术，构建了季冻区高速铁路无砟轨道平稳性保持技术。

我国高速铁路发展取得的成就举世瞩目。到2020年底，高速铁路运营里程将超过38000km，占世界高速铁路运营里程的2/3，最高商业运营速度达到350km/h，位居世界第一。其中，季节冻土区（以下称“季冻区”）高速铁路运营里程超过8000km。地处严寒季冻区的哈大高速铁路，冬季商业运营速度最高达到300km/h，成为世界上季冻区商业运营速度最高的铁路。我国季冻区高速铁路建设运营一个重要的成功经验是全面、系统地应用了无砟轨道，这不仅解决了季冻区严酷环境下有砟轨道平稳性差、维修工作量大、道砟二次飞溅等问题，更重要的是消除了有砟轨道冬季道床冻胀对轨道不平顺的影响，为高速列车安全、平稳运行提供了保障。

季冻区高速铁路无砟轨道的应用需要解决两大关键核心技术问题。一是路基的温度效应问题，表现为年复一年的冬季冻胀上拱、春季融化沉落，导致线路高程的循环变化，影响无砟轨道的高平顺性和强度安全性。二是无砟轨道的温度效应问题，表现为夏季超大的日温差下轨道板强烈的循环翘曲变形、超大的年温差下无砟轨道的伸缩变形，以及冬季极低温度下材料的冻融损伤，影响无砟轨道结构的强度安全性、变形稳定性和材料耐久性。

季冻区路基温度效应问题在普速铁路上十分突出，我国东北地区最冷月平均气温可达－20℃以下，普速铁路路基冬季冻胀量可达到50mm以上，春季翻浆冒泥问题严重。季冻区无砟轨道温度效应问题最为典型的是日本东北新干线，由于板式无砟轨道采用非抗冻的CA砂浆，1987—1988年对数百千米的线路进行了整治。笔者在2001年参与组织秦沈客运专线综合试验时开始关注季冻区高速铁路温度效应问题，特别是线路开通运营以后，无砟轨道试验段CA砂浆充填层出现了日本东北新干线类似的伤损，路基冻胀量最大达到20mm以上，对高速铁路运营安全和效率产生了严重影响。随着我国高速铁路建设规模的快速扩大，无砟轨道铺设范围越来越广，结构伤损及材料劣化问题相继出现，其中基础变形荷载与温度荷载效应更为突出，成为影响无砟轨道平稳性的主要因素。为此，笔者开始将研究重点向无砟轨道与基础的相互作用聚焦，构建了基础变形传递模型，提出了高速铁路无砟轨道和路基多层结构变形调控理论；组织了全国各温度区无砟轨道温度场及温度效应现场测试，提出了我国高速铁路无砟轨道温度分区及温度荷载特征值，揭示了无砟轨道层间黏结失效机理，构建了无砟轨道温度效应控制技术体系。2012年，世界上严寒季冻区第一条高速铁路——哈大高速铁路开通运营，由于缺乏严寒季冻区运营经验，采取冬季运营速度200km/h、夏季运营速度300km/h的冬夏两种速度的运输方式以确保运营安全。为掌握严寒季冻区高速铁路运营安全规律，笔者及研究团队持续开展科技攻关，进一步揭示了季冻区高速铁路温度场特征、路基和无砟轨道温度变形机理及其效应，研究成果支撑哈大高速铁路冬季以300km/h的速度运营，并在哈齐、沈丹、哈牡、哈佳、京张、京沈、兰新等高速铁路建设与运营中得到推广应用。

本书是近20年来研究成果的总结。全书共分6章，介绍了我国季冻区高速铁路路基和无砟轨道的温度效应，以及高速铁路无砟轨道平稳性保持技术。

在冬季路基温度效应方面，探明了严寒季冻区高速铁路路基冻胀变形时空分布规律，试验发现了粗粒土填料中细颗粒呈簇团分布的特点，揭示了高速铁路路基细颗粒簇团冻胀机理；解析了路基冻胀变形与无砟轨道平稳性的映射关系，提出了高速铁路无砟轨道路基冻胀效应控制的技术路线，研发了基于细颗粒簇团控制的透水型和防水型路基防冻胀结构及混凝土基床结构，形成了高速铁路路基冻胀控制成套技术。

在夏季无砟轨道温度效应方面，探明了严寒季冻区无砟道床夏季表面温度波动剧烈、正负温度梯度最大的一般规律，提出了季冻区整体温度、温度梯度等温度场特征值、建议值；解析了单元无砟轨道结构温度位移对无缝线路钢轨受力的影响规律，提出了季冻区无砟轨道温度效应的控制措施。

在无砟轨道平稳性保持技术方面，阐述了轨道不平顺、结构效应和材料耐久性控制机理与技术，发现了季冻区无砟轨道平顺性变化以高低不平顺产生与发展为特征、以轨道板和底座板长度为周期的变化特点，构建了不平顺检测技术体系，提出了精准监测基础上的适度平顺维护技术；阐释了离缝条件下轨道结构的受力特征及动力响应，揭示了板下离缝检测机理，研发了离缝检测技术；揭示了通过提升材料的密实性和均质性提高抗冻性能的机理，构建了以自密实混凝土、CA砂浆抗冻技术为核心的季冻区高速铁路无砟轨道抗冻技术体系。

在高速铁路无砟轨道平稳性研究过程中，中国铁道科学研究院江成研究员、蔡德钩研究员、姜子清研究员、李化建研究员、赵磊副研究员、徐旸博士，中铁第四勘察设计院孙立教授级高工、王森荣教授级高工，北京交通大学高亮教授、蔡小培教授，西南交通大学刘钰博士，东南大学蒋金洋教授，中国国家铁路集团杨国涛正高级工程师、刘俊飞博士，以及研究团队的其他专家、学者为研究成果的取得付出了辛勤劳动和智慧，在此一并表示感谢。在本书介绍的成果中，蒋金洋协助完成了粗粒土的微观结构试验，徐旸协助完成了细颗粒簇团冻胀的计算，赵磊和刘钰协助完成了无砟轨道温度效应的计算，在此一并表示感谢。

笔者常怀“敬惜字纸”之心，写作中力求观点新颖、逻辑严密、表述准确，能使读者开卷有益，奈何力有所不逮、技术有所不及，谬误之处敬请批评指正。

作者2020年11月

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