高寒季节性冻土区铁路路桥过渡段冻胀特性数值模拟研究_H.docxVIP

第45卷，第1期202

第45卷，第1期2024年1月

Vol.45No.1January，2024

CHINARAILWAYSCIENCE

文章编号2024引用格式：董亮，吴贻珂，邹佳安，等.高寒季节性冻土区铁路路桥过渡段冻胀特性数值模拟研究［J］.中国铁道科学，2024，45（1）：6878.

Citation：DONGLiang，WUYike，ZOUJia’an，etal.NumericalSimulationStudyonFrostHeaveCharacteristicsofRailwayRoadandBridgeTransitionSectioninAlpineSeasonalPermafrostRegion［J］.ChinaRailwayScience，2024，45（1）：6878.

高寒季节性冻土区铁路路桥过渡段冻胀特性数值模拟研究

董亮1，吴贻珂2,3，邹佳安2,3，韩笑2,3，苏永华1

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081；

2.哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150090；

3.黑龙江省寒区轨道交通工程技术研究中心，黑龙江哈尔滨150090）

摘要：铁路路桥过渡段是整个线路中至关重要部分，也是相对薄弱部位，高寒季节性冻土区铁路路桥过渡段填土冻胀引起墩台梁体变形变位，对线路平顺性造成了很大影响。针对高寒季节性冻土区铁路路桥过渡段冻胀问题，基于热力耦合理论，采用ABAQUS软件建立铁路路桥过渡段数值模型，分析过渡段温度场与填土冻胀发展变化规律，探讨由桥台后填土冻胀引起的桥梁-桥台-填土相互作用。结果表明：材料热力学特性与桥台温度边界是影响温度场平衡过程与分布规律的主要因素，且距桥台距离增加，影响逐渐减弱；过渡段土体地温具有正弦分布、相位滞后与振幅衰减规律；随着填土水平冻胀变形发展，桥台会逐渐发生侧移和倾斜，进而导致桥梁与桥台顶紧，影响桥梁结构安全。

关键词：铁路；路桥过渡段；高寒季节性冻土区；冻胀变形；季节性冻土；热力耦合；数值模拟

中图分类号：TU433文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.2024.01.07

高寒季节性冻土区铁路路桥过渡段是整个线路中至关重要部分，也是相对薄弱环节。填土冻胀引起墩台梁体变形变位的连锁反应对线路平顺性造成了很大影响，在列车长期动荷载作用下将给寒区轨道交通的正常运营、安全保障及养护维修带来极大挑战。

近年来，许多学者采用数值模拟对寒区路基冻胀问题开展了一系列研究工作，有力推动了寒区道路工程冻胀理论与工程实践的发展。寒区温度场方面，Penner［1］，Williams［2］和Miller［3］基于热通量和质量流研究提出了在冻结锋面和最暖冰透镜底面存在一个低含水量、低导湿率和无冻胀的带，称为冻结缘，该理论称为第二冻胀理论。Huang［4］对青藏公路路基深入调查后给出了黏土临界路基高度与多年冻土上限变化的拟合关系。Zhang等［5］开展

了青藏铁路路基临界高度数值模拟研究，发现无论修筑高路堤还是低路堤，路堤下地温都会不同程度升高，使多年冻土处于退化状态，并不能取得保护冻土的效果。Liu等［6］研究了孔隙率对冻土退化和路肩阴阳坡冻深的影响，发现孔隙率降低会加剧冻土退化并导致温度场不对称。Hou等［7］建立三维数值模型研究冻土区灌注桩热扰动和桩基的冻结过程，发现桩基温度滞后恢复至天然地面温度。土体含水量增加的位置是冻结部分与未冻结部分的分界线，即冻结锋面。Zhang等［8］提出了一种水热耦合模型，发现冻结深度由冻结锋面反映并由温度拐点决定。

寒区冻胀变形方面，Li等［9］通过数值模拟结合室内试验，研究了细粒含量对粗粒土冻胀敏感性的影响。Yang等［10］研究了隧道开挖过程中的水热

收稿日期修订日期基金项目：国家自然科学基金资助项目

第一作者：董亮（1979—），女，甘肃通渭人，研究员，博士。Email：dongl123@163.com

第1期