• ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

新型桩板结构路基在季节冻土区的适用性

张树明,蒋关鲁,杜登峰,廖祎来,薛元,李安洪

downloadPDF
张树明, 蒋关鲁, 杜登峰, 廖祎来, 薛元, 李安洪. 新型桩板结构路基在季节冻土区的适用性[J]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报, 2021, 56(3): 541-549. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190716
引用本文: 张树明, 蒋关鲁, 杜登峰, 廖祎来, 薛元, 李安洪. 新型桩板结构路基在季节冻土区的适用性[J]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报, 2021, 56(3): 541-549.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20190716
ZHANG Shuming, JIANG Guanlu, DU Dengfeng, LIAO Yilai, XUE Yuan, LI Anhong. Applicability of Novel Pile-Plank Embankment in Seasonally Frozen Regions[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2021, 56(3): 541-549. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190716
Citation: ZHANG Shuming, JIANG Guanlu, DU Dengfeng, LIAO Yilai, XUE Yuan, LI Anhong. Applicability of Novel Pile-Plank Embankment in Seasonally Frozen Regions[J].Journal of Southwest Jiaotong University, 2021, 56(3): 541-549.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20190716

新型桩板结构路基在季节冻土区的适用性

doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20190716
基金项目:国家自然科学基金(51878577);中国铁路总公司重大课题(2016G002-A)
详细信息
    作者简介:

    张树明(1989—),男,博士研究生,研究方向为岩土工程地基处理,E-mail:shumingzsm@my.swjtu.edu.cn

    通讯作者:

    蒋关鲁(1962—),男,教授,博士,研究方向为道路与铁道工程,E-mail:wgljiang@swjtu.edu.cn

  • 中图分类号:TU 47

Applicability of Novel Pile-Plank Embankment in Seasonally Frozen Regions

    • 摘要:针对莫喀(莫斯科—喀山)高速铁路季节性冻土区路基冻胀病害防治问题,提出了铺设保温板垫层的新型桩板结构路基. 通过对聚苯乙烯泡沫塑料板(EPS)、聚氨酯板(PU)和挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板(XPS) 3种保温材料性能的对比分析,发现新型桩板结构路基中的保温板可采用在保温隔热、隔水防渗和抗压性能方面表现良好的XPS保温板. 通过建立热弹塑性冻胀计算模型,研究了冻胀力作用下保温板铺设范围、厚度、路基填高和外界温度对新型桩板结构路基受力变形的影响. 结果表明:当保温板铺设范围延伸到线路两端的信号线槽处时,可以更好地阻滞外界负温向下传递(减小冻深),抑制因桩板结构周边土体冻胀对结构物产生的不良影响;随着保温板厚度的增大,冻胀量呈指数形式减小,冻深呈抛物线形减小,保温板上表面处起到抑制外界负温向下传递的作用,下表面处起到控制下部土体温度耗散的作用;增大路基填高,有利于抑制路基冻胀量,减少保温板的使用厚度,当路基填高0.8 m时,保温板垫层厚度需大于0.40 m;当路基填高2.8 m时,保温板垫层厚度需大于0.31 m.

    • 图 1铺设保温板垫层的桩板结构路基横断面及纵断面(单位:m)

      Figure 1.Cross-section and longitudinal profiles of pile-plank structure with insulation boards (unit:m)

      图 2保温板铺设范围示意(单位:m)

      Figure 2.Laying range of insulation boards (unit:m)

      图 3M1、M2负温度场分布云图

      Figure 3.Nephogram of M1 and M2 negative temperature field

      图 4M1、M2各埋深处温度分布

      Figure 4.Temperature distribution curves of M1 and M2 at different buried depths

      图 5M1、M2各位置不同埋深处温度分布

      Figure 5.Temperature distribution curves of M1 and M2 along buried depth at different sites

      图 6M1、M2竖向位移分布

      Figure 6.Vertical displacement distribution curves of M1 and M2

      图 7保温板位移云图及上、下表面温度分布云图

      Figure 7.Nephogram of insulation board displacement and temperature distribution of its upper and lower surface

      图 8冻胀量与冻深随保温板厚度变化

      Figure 8.Variations of frost heaving amount and frozen depth with insulation board thickness

      图 9保温板上下表面温度时程曲线

      Figure 9.Temperature time-history curves of upper and lower surface of insulation boards

      图 10两种路基填高下冻胀量随保温板厚度变化

      Figure 10.Variations of frost heaving amount with insulation board thickness at roadbed filling heights

      表 1保温板物性参数

      Table 1.Physical parameters of insulation boards

      材料类型 表观密度/(kg•m−3 导热系数/(W•m−1•K−1 体积吸水率/% 抗压强度/kPa
      EPS 30~40 0.030 0~0.044 0 3.60~6.00 300~345
      PU 59 0.019 7 1.40 322
      XPS 40~45 0.011 0~0.012 0 0.96~0.97 500~650
      下载: 导出CSV

      表 2冻融条件下3种保温板稳定性对比

      Table 2.Stability comparison of three kinds of insulation boards under freeze-thaw conditions

      材料
      类型
      冻融循
      环/次
      导热系数/
      (W•m−1•K−1
      体积吸
      水率/%
      抗压强
      度/kPa
      EPS 5 0.025 3 2.60 347
      10 0.024 9 2.50 335
      20 0.025 3 2.80 352
      30 0.024 2 2.50 326
      PU 5 0.019 3 0.50 308
      10 0.018 4 1.10 306
      20 0.018 8 1.00 263
      30 0.018 1 0.90 282
      XPS 5 0.009 8 0.91 646
      10 0.010 2 0.78 637
      20 0.009 3 0.84 628
      30 0.008 6 0.82 663
      下载: 导出CSV

      表 3土层划分及参数

      Table 3.Physical parameters by soil division

      土层 高度/m 密度/(kg•m−3 弹性模量/MPa 泊松比 黏聚力/kPa 内摩擦/(°)
      路堤 2 000 50.00 0.25 75.4 34
      微湿润粉砂 2.5 1 720 25.00 0.25 1.0 31
      饱水细砂 9.0 1 940 46.45 0.25 2.0 34
      饱水粉砂 6.0 1 980 26.80 0.25 3.0 28
      饱水细砂 7.0 1 940 46.45 0.25 2.0 34
      湿润及饱水细砂 25.5 2 040 69.65 0.25 4.0 34
      下载: 导出CSV

      表 4桩板结构参数选取

      Table 4.Parameter selection of pile-plank structure

      构件
      类型
      尺寸/m 密度/(kg•m−3 弹性模量/MPa 泊松比 导热系数/(W•m−1•K−1
      承载板 长 22.48,宽 4.99 × 2(双线),高 0.80 2 500 32 500 0.18 1.58
      托梁 长10.40,宽 1.30,高 0.85 2 500 32 500 0.18 1.58
      桩基 长 30.00,直径 1.25,纵向桩间距 7.50,横向桩间距 5.00 2 500 30 000 0.20 1.58
      下载: 导出CSV
    • TABER S. The mechanics of frost heaving[J]. The Journal of Geology, 1930, 38(4): 303-317.doi:10.1086/623720
      MILLER R D. Freezing and heaving of saturated and unsaturated soils[J]. Highway Research Record, 1972, 393: 1-11.
      DASH J G. Thermomolecular pressure in surface melting:motivation for frost heave[J]. Science, 1989, 246(4937): 1591-1593.doi:10.1126/science.246.4937.1591
      SHENG D, ZHANG S, NIU F J, et al. A potential new frost heave mechanism in high-speed railway embankments[J]. Geotechnique, 2014, 64(2): 144-154.doi:10.1680/geot.13.P.042
      李强,姚仰平,韩黎明,等. 土体的“锅盖效应”[J]. 工业建筑,2014,44(2): 69-71.

      LI Qiang, YAO Yangping, HAN Liming, et al. Pot-cover effect of soil[J]. Industrial Construction, 2014, 44(2): 69-71.
      THOMAS H R, CLEALL P J, LI Y, et al. Modelling of cryogenic processes in permafrost and seasonally frozen soils[J]. Geotechnique, 2009, 59(3): 173-184.doi:10.1680/geot.2009.59.3.173
      许健,牛富俊,李爱敏,等. 季节冻土区保温法抑制铁路路基冻胀效果研究[J]. 铁道学报,2010,32(6): 124-131.doi:10.3969/j.issn.1001-8360.2010.06.021

      XU Jian, NIU Fujun, LI Aimin, et al. Analysis of the prevention effect of thermal-insulation method on frost heave of railway subgrade in seasonal frozen regions[J]. Journal of the China Railway Society, 2010, 32(6): 124-131.doi:10.3969/j.issn.1001-8360.2010.06.021
      许健,牛富俊,牛永红,等. 季节冻土区防冻胀护道对保温路基地温特征影响效果研究[J]. 铁道学报,2011,33(3): 84-90.doi:10.3969/j.issn.1001-8360.2011.03.015

      XU Jian, NIU Fujun, NIU Yonghong, et al. Study on the temperature field of insulated roadbed with frost-resistant berm on seasonal frozen region[J]. Journal of the China Railway Society, 2011, 33(3): 84-90.doi:10.3969/j.issn.1001-8360.2011.03.015
      董元宏,牛永红,崔维孝,等. 哈尔滨—齐齐哈尔客运专线路基防冻工程模型试验研究[J]. 冰川冻土,2014,36(4): 828-835.

      DONG Yuanhong, NIU Yonghong, CUI Weixiao, et al. Model test study on the anti-frost engineering along the Harbin−Qiqihar passenger dedicated railway[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2014, 36(4): 828-835.
      田亚护,肖伟,沈宇鹏,等. 隔热层对季节冻土区无砟轨道路基冻胀防治的适应性分析[J]. 铁道学报,2014,36(5): 76-81.doi:10.3969/j.issn.1001-8360.2014.05.013

      TIAN Yahu, XIAO Wei, SHEN Yupeng, et al. Adaptability of heat-insulating course to prevention of frost heave of unballasted railway track subgrade in seasonal frozen regions[J]. Journal of the China Railway Society, 2014, 36(5): 76-81.doi:10.3969/j.issn.1001-8360.2014.05.013
      国家铁路局. 高速铁路设计规范: TB10621—2014[S]. 北京: 中国铁道出版社, 2014.
      詹永祥,蒋关鲁,魏永幸. 无碴轨道桩板结构路基在地震荷载下的动力响应分析[J]. 中国铁道科学,2006,27(6): 22-26.doi:10.3321/j.issn:1001-4632.2006.06.005

      ZHAN Yongxiang, JIANG Guanlu, WEI Yongxing. Dynamic response analysis on the pile-plank structure roadbed of ballastless track under earthquake load[J]. China Railway Science, 2006, 27(6): 22-26.doi:10.3321/j.issn:1001-4632.2006.06.005
      詹永祥,蒋关鲁,胡安华,等. 遂渝线无碴轨道桩板结构路基动力响应现场试验研究[J]. 岩土力学,2009,30(3): 832-835.doi:10.3969/j.issn.1000-7598.2009.03.046

      ZHAN Yongxiang, JIANG Guanlu, HU Anhua, et al. Study of dynamic response of pile-plank embankment of ballastless track based on field test in Suining—Chongqing high-speed railway[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(3): 832-835.doi:10.3969/j.issn.1000-7598.2009.03.046
      詹永祥,蒋关鲁,牛国辉,等. 武广线高边坡陡坡地段桩板结构路基的设计理论探讨[J]. 铁道工程学报,2007(增刊1): 94-96,101.

      ZHAN Yongxiang, JIANG Guanlu, NIU Guohui, et al. Theoretical exploration on design of pile-plate structure subgrade in steep slope section of high side slop on Wuchang−Guangzhou railway passenger dedicated Line[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2007(S1): 94-96,101.
      董元宏,朱东鹏,张会建,等. 应用于冻土路基的XPS保温板力学性能[J]. 中国公路学报,2015,28(12): 64-68.doi:10.3969/j.issn.1001-7372.2015.12.009

      DONG Yuanhong, ZHU Dongpeng, ZHAGN Huijian, et al. Mechanical properties of XPS thermal insulation board applied in permafrost embankment[J]. China Journal of Highway and Transport, 2015, 28(12): 64-68.doi:10.3969/j.issn.1001-7372.2015.12.009
      樊凯,章金钊,陈建兵. 保温材料在青藏公路路基工程中的应用[J]. 公路,2004(8): 163-166.doi:10.3969/j.issn.0451-0712.2004.08.038

      FAN Kai, ZHANG Jinzhao, CHEN Jianbing. Application of thermal insulating material in embankment engineering of Qinghai−Tibet highway[J]. Highway, 2004(8): 163-166.doi:10.3969/j.issn.0451-0712.2004.08.038
      温智. 保温法在青藏高原多年冻土区道路工程中的应用评价研究[D]. 北京: 中国科学院研究生院, 2006.
      赵丽萍. XPS板在冻土路基工程中的应用研究[D]. 西安: 长安大学, 2009.
      LAI Y M, WU Z W, ZHU Y L, et al. Nonlinear analysis for the coupled problem of temperature,seepage and stress fields in cod-region tunnels[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 1998, 13(4): 435-440.doi:10.1016/S0886-7798(98)00086-8
    • 加载中
    图(10)/ 表(4)
    计量
    • 文章访问数:578
    • HTML全文浏览量:292
    • PDF下载量:21
    • 被引次数:0
    出版历程
    • 收稿日期:2019-07-29
    • 修回日期:2019-11-10
    • 网络出版日期:2019-11-20
    • 刊出日期:2021-06-15

    目录

      /

        返回文章
        返回
          Baidu
          map