國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目“季節(jié)性凍融環(huán)境下高鐵路基服役性能演化規(guī)律與孕災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論”（批準(zhǔn)號(hào)41731288）成果科普性介紹和展示

一、項(xiàng)目成果摘要

截至2022年底，我國(guó)高鐵里程達(dá)4.2萬公里，成為世界高鐵運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)速度最高、運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景最豐富的國(guó)家。同時(shí)，我國(guó)作為凍土大國(guó)，季節(jié)性凍土區(qū)占總面積53.5%，覆蓋高鐵超過7000km。在季節(jié)性凍土區(qū)，高鐵路基主要面臨著包括季節(jié)性凍融循環(huán)作用以及列車通過時(shí)動(dòng)力作用的多因素影響，填料與路基結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)復(fù)雜，可能誘發(fā)服役性能的劣化，從而引起不均勻變形、封閉層開裂、底座離縫等不同程度的凍害問題，對(duì)列車的安全平穩(wěn)運(yùn)行帶來了風(fēng)險(xiǎn)隱患，導(dǎo)致列車限速、大量人力物力投入維修等不利影響。在上述背景下，如何科學(xué)有效地評(píng)估季節(jié)性凍融環(huán)境大規(guī)模運(yùn)營(yíng)的高鐵路基服役性能演化規(guī)律與相應(yīng)的孕災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，從而保障路基百年服役期的耐久穩(wěn)定，是季節(jié)性凍土區(qū)高鐵建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、維養(yǎng)面臨的重大挑戰(zhàn)。

本項(xiàng)目聚焦季凍區(qū)路基長(zhǎng)期服役性能劣化的主要誘因，關(guān)注于凍融循環(huán)-行車振動(dòng)耦合力學(xué)效應(yīng)，在大量實(shí)測(cè)資料的記錄分析基礎(chǔ)上，采用室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析相結(jié)合的研究手段，針對(duì)季節(jié)性凍融環(huán)境下填料性能時(shí)效演化、凍脹－軌道結(jié)構(gòu)相互作用分析模型、孕災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系三部分內(nèi)容開展研究。研制了環(huán)境溫度-列車動(dòng)載循環(huán)可控的大直徑三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，量化揭示了凍融循環(huán)-行車振動(dòng)耦合作用下填料特性演化規(guī)律與主要影響因素，建立了刻畫季節(jié)性凍融路基填料的彈塑性本構(gòu)模型。研究了不同補(bǔ)水情況下凍脹發(fā)展過程，構(gòu)建了考慮非飽和土熱量傳遞和水－氣遷移過程的填料凍脹發(fā)育模型。依托牡佳、哈大、哈佳等高速鐵路現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，揭示了季節(jié)凍融環(huán)境下路基凍脹規(guī)律、振動(dòng)響應(yīng)演化規(guī)律，評(píng)估了不同凍融時(shí)期列車運(yùn)行條件下線路平順性影響?？紤]路基凍脹-軌道不平順的互饋效應(yīng)，構(gòu)建了季節(jié)性凍融環(huán)境下高鐵路基凍脹-軌道結(jié)構(gòu)相互作用分析模型，揭示了不均勻凍脹條件下路基與列車動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律?；诟咚勹F路高標(biāo)準(zhǔn)平順性要求，系統(tǒng)分析甄選孕災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)主要影響參數(shù)，結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法和層次分析法，建立了考慮行車安全性、舒適性，車軌動(dòng)態(tài)相互作用等的季節(jié)性凍融環(huán)境下運(yùn)營(yíng)高鐵路基孕災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，實(shí)現(xiàn)了高鐵運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)多層次綜合評(píng)判。

本項(xiàng)目研究成果為凍融循環(huán)-行車振動(dòng)耦合作用影響下填料時(shí)效演化理論的發(fā)展完善提供了重要支撐，加深了對(duì)季節(jié)性凍融環(huán)境下高鐵路基工作狀態(tài)的系統(tǒng)認(rèn)知，為季凍區(qū)高鐵路基服役性能與孕災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了技術(shù)手段，對(duì)我國(guó)寒區(qū)重大工程的科學(xué)維養(yǎng)、孕災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、凍融病害防控等方面具有重要的指導(dǎo)意義和應(yīng)用前景。

本項(xiàng)目合計(jì)在國(guó)內(nèi)外重要期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，其中SCI期刊論文13篇。申請(qǐng)專利7項(xiàng)，授權(quán)發(fā)明專利4項(xiàng)，實(shí)用新型專利2項(xiàng)。登記軟件著作權(quán)1項(xiàng)。出版專著1部。相關(guān)研究成果獲中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)1項(xiàng)，鐵道學(xué)會(huì)科技二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

二、項(xiàng)目成果展示

1.季節(jié)性凍融環(huán)境下高鐵路基填料性能時(shí)效演化規(guī)律及力學(xué)表述

研制了環(huán)境溫度-列車動(dòng)載循環(huán)可控的大直徑三軸試驗(yàn)系統(tǒng)。其主要由軸壓位移控制單元、圍壓控制單元、循環(huán)液供給單元、溫度控制單元、主控系統(tǒng)等組成，具備凍融過程與動(dòng)載施加過程協(xié)同控制與耦合施加功能，優(yōu)化了現(xiàn)有技術(shù)中溫度控制與圍壓施加方式，改善了三軸試驗(yàn)條件下凍融循環(huán)和列車循環(huán)動(dòng)載的實(shí)時(shí)耦合技術(shù)問題，有效支撐了填料凍融特性時(shí)效演化規(guī)律與多因素影響下孕災(zāi)分析研究。

揭示了凍融循環(huán)-行車振動(dòng)耦合作用下填料特性演化規(guī)律與主要影響因素，分析了凍融循環(huán)次數(shù)、圍壓、含水率、細(xì)粒含量等因素對(duì)路基填料動(dòng)力特性的影響。提出了考慮凍融循環(huán)-動(dòng)力耦合效應(yīng)的路基粗粒填料動(dòng)力學(xué)指標(biāo)方程，構(gòu)建了季節(jié)性凍融環(huán)境下填料彈塑性本構(gòu)模型，以及凍融循環(huán)與列車荷載下填料長(zhǎng)期變形性能預(yù)測(cè)模型，深化了對(duì)季節(jié)性凍融環(huán)境多因素耦合作用下路基填料性能演化規(guī)律的客觀認(rèn)知。

提出了凍融循環(huán)-長(zhǎng)期列車荷載耦合作用下填料安定性判別方法，研究揭示了凍融循環(huán)-長(zhǎng)期列車荷載耦合作用下填料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及不同長(zhǎng)期變形發(fā)展模式的收斂性差異，提出了基于累積塑性應(yīng)變率的變形發(fā)展模式判別準(zhǔn)則與穩(wěn)定性閾值界限，并分析了圍壓、含水率等因素的影響，為季凍區(qū)高鐵路基長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)服役特性評(píng)估提供了基礎(chǔ)理論支撐。

2.季節(jié)性凍融環(huán)境下高鐵路基凍脹-軌道結(jié)構(gòu)相互作用分析模型

構(gòu)建了季凍區(qū)非飽和粗粒土凍脹模型，開展單向凍結(jié)試驗(yàn)分析了不同凍結(jié)溫度對(duì)溫度場(chǎng)時(shí)程、凍脹變形和水－氣遷移特性的影響。研究揭示了凍結(jié)過程中非飽和土熱量傳遞和水－氣遷移過程。構(gòu)建了水－熱－氣耦合分析凍脹模型，能夠反映季凍區(qū)非飽和粗粒土凍脹特性。

構(gòu)建了高鐵路基凍脹－軌道結(jié)構(gòu)耦合振動(dòng)分析模型，考慮列車-軌道結(jié)構(gòu)-凍脹路基多層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了路基不同不均勻凍脹變形輸入，闡明了路基凍脹變形傳遞映射規(guī)律，獲取了不均勻凍脹影響下車輛-軌道-路基體系動(dòng)力響應(yīng)特征，并探尋了凍脹幅值、波長(zhǎng)、波距以及列車運(yùn)行速度等因素的影響，揭示了季凍區(qū)高鐵路基凍脹－軌道結(jié)構(gòu)相互作用規(guī)律。

3.季節(jié)性凍融環(huán)境下運(yùn)營(yíng)高鐵路基孕災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系

構(gòu)建了融合靜動(dòng)態(tài)多源數(shù)據(jù)寒區(qū)運(yùn)營(yíng)鐵路路基服役狀態(tài)檢監(jiān)測(cè)技術(shù)。厘清了季凍區(qū)運(yùn)營(yíng)鐵路路基平順性與沿線填料特性、水熱環(huán)境狀態(tài)的關(guān)聯(lián)影響規(guī)律，構(gòu)建了基于線路平順性檢測(cè)、重點(diǎn)地段分層監(jiān)測(cè)、路基動(dòng)力性能檢測(cè)、車載探地雷達(dá)路基狀態(tài)檢測(cè)的季凍區(qū)路基結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)檢監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，為季凍區(qū)鐵路凍脹評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

構(gòu)建了季凍區(qū)高鐵路基服役孕災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)多層次綜合評(píng)估模型，采用層次分析—模糊綜合評(píng)價(jià)法搭建了評(píng)價(jià)體系框架，提出了基于列車運(yùn)行狀態(tài)、軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)、路基服役狀態(tài)的評(píng)估指標(biāo)體系與安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了由底層至目標(biāo)層評(píng)判集的服役安全風(fēng)險(xiǎn)多層次綜合評(píng)判。提出了基于服役狀態(tài)安全度評(píng)估的季凍區(qū)高鐵路基不均勻凍脹控制閾值與分級(jí)控制標(biāo)準(zhǔn)，劃分了體系安全度的超限區(qū)域，為季凍區(qū)鐵路路基凍脹維護(hù)提供了支撐。

三、結(jié)語與展望

本項(xiàng)目著眼于提出季節(jié)性凍融環(huán)境高鐵路基孕災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法與評(píng)價(jià)模型、評(píng)價(jià)指標(biāo)，深化高鐵運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)期服役性能演化規(guī)律認(rèn)知，致力于解決我國(guó)季節(jié)凍土區(qū)運(yùn)營(yíng)高鐵路基安全性評(píng)價(jià)與防控關(guān)鍵問題?；谏鲜鲅芯砍晒_展技術(shù)應(yīng)用，可進(jìn)一步提高我國(guó)對(duì)運(yùn)營(yíng)高鐵路基災(zāi)害防控的理論水平與聯(lián)動(dòng)處理的應(yīng)急能力，推動(dòng)季凍區(qū)高鐵路基孕災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)的跨越式發(fā)展。

來源：鐵科院