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辽西季节性冻土区高铁路基动力特性与变形机制及应对策略研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着我国高速铁路建设的持续推进，越来越多的高铁线路穿越复杂的地质区域，辽西季节性冻土地区便是其中之一。辽西地区独特的气候条件，使得土壤呈现季节性冻结与融化的特征，给高速铁路路基的设计、施工与长期运营带来了诸多挑战。

季节性冻土的冻融循环过程会显著改变土体的物理力学性质。在冬季低温环境下，土体中的水分冻结成冰，体积膨胀，导致路基产生冻胀变形；而在夏季气温回升时，冻土融化，土体体积收缩，引发融沉现象。这种反复的冻融循环作用，可能致使路基出现不均匀沉降、开裂等病害，严重威胁高铁的安全稳定运营。例如，哈大高铁作为世界上首条投入运营的新建高寒季节性冻土地区高速铁路，在运营过程中就面临着严峻的路基冻胀问题。沿线最冷月平均气温在-3.9℃至-23.2℃之间，极端最低温度达-39.9℃，最大季节冻土深度为93-205cm，每年从10月底开始冻结，次年4-5月全部融化。在这样的极端气温条件下，路基冻胀变形总体可控但仍存在一定风险，冻胀变形主要集中在表层级配碎石层，较高的路基含水率进一步加剧了冻胀变形。

朝凌高铁位于辽宁省西部，处于寒冷地区，在建设过程中，为消除季节性冻土对线路的影响，保证路基的高度平顺性，采用了表层纤维混凝土及一布一膜不透水土工布封闭、基床表层级配碎石掺5%、冻深范围内采用非冻胀填料、路堑地段设置加深渗水盲沟、加大换填深度等多种措施。尽管采取了这些措施，但季节性冻土地区高铁路基的动力特性及变形问题依然复杂，需要深入研究。

对于辽西季节性冻土地区的高铁而言，深入研究其路基的动力特性及变形规律具有重大的现实意义。在保障高铁安全运营方面，准确掌握路基在列车动荷载与冻融循环共同作用下的动力响应和变形特征，能够及时发现潜在的安全隐患，为制定有效的维护措施提供科学依据，从而确保列车的运行安全，减少因路基病害导致的运营事故。在指导工程设计与施工方面，通过对路基动力特性和变形的研究，可以优化路基结构设计，合理选择路基填料和施工工艺，提高路基的抗冻融能力和稳定性，降低工程建设成本和后期维护费用，为类似地区的高铁建设提供宝贵的经验和参考。

1.2国内外研究现状

在季节性冻土地区高铁路基动力特性和变形研究领域，国内外学者已取得了一系列成果。国外方面，一些发达国家如俄罗斯、加拿大等，由于其广袤领土中存在大量冻土区域，在冻土工程研究方面起步较早。他们在冻土的物理力学性质、冻胀融沉机理等基础理论研究上较为深入，通过长期的野外观测和室内试验，建立了多种冻土热-力耦合模型，用于分析冻土在不同环境条件下的变形规律。在高铁路基研究中，部分国家结合本国高铁建设实践，探讨了列车荷载作用下路基的动力响应特性，但针对季节性冻土地区高铁的系统性研究相对较少，且由于各国地质条件和气候差异较大，其研究成果难以直接应用于我国辽西地区。

国内对于季节性冻土地区高铁路基的研究主要围绕哈大高铁等工程展开。在动力特性研究方面，学者们运用理论分析、数值模拟和现场试验等方法，分析了列车动荷载作用下路基的动应力、动位移和加速度等响应规律，发现列车速度、轴重以及路基结构参数等对路基动力响应有显著影响。在变形研究方面，重点关注了冻胀融沉变形，研究了土壤类型、含水率、温度以及冻融循环次数等因素对路基冻胀融沉变形的影响机制，提出了多种冻胀变形预测模型和防治措施，如设置保温层、优化路基排水系统和选用非冻胀性填料等。

然而，当前研究仍存在一些空白与不足。在动力特性与变形的耦合研究方面，虽然认识到列车动荷载和冻融循环会相互影响路基的性能，但相关研究多是将两者分开考虑，缺乏系统全面的耦合分析，难以准确揭示路基在复杂荷载作用下的真实力学行为。对于辽西地区独特的地质条件和气候特征，现有的研究成果针对性不强，未能充分考虑该地区土壤特性、气温变化规律等因素对高铁路基动力特性和变形的特殊影响。此外，在长期运营过程中，路基材料的劣化以及环境因素的累积效应等对路基性能的影响研究也相对薄弱。

1.3研究内容与方法

本研究拟解决的关键问题主要包括：明确辽西季节性冻土地区高铁路基在列车动荷载和冻融循环耦合作用下的动力特性，如动应力、动应变、加速度等的分布规律和变化特征；揭示该地区高铁路基的变形机制，包括冻胀融沉变形、列车荷载引起的累积变形等，并建立准确的变形预测模型；提出适用于辽西地区的高铁路基动力特性优化和变形控制措施，确保高铁的长期安全稳定运营。

为实现上述研究目标，将采用多种研究方法相结合的方式。实验方面，开展室内土工试验，测定辽西地区季节性冻土的基本物理力学参数，如密度、含水率、孔隙比、压缩系数、抗剪强度等，以及冻土在不同温度和应力状态下的热物理参数，为后续研究提供基础数据。进行现场监测，