第1章
1緒論

1.1我國季凍區分布及氣候特征1
1.1.1我國季節凍土的分布1
1.1.2我國季凍區氣候特征3
1.2國內外季凍區高速鐵路5
1.2.1國外季凍區高速鐵路5
1.2.2國內季凍區高速鐵路10
1.3高速鐵路無砟軌道的應用12
1.3.1無砟軌道結構分類12
1.3.2國外高速鐵路無砟軌道12
1.3.3國內高速鐵路無砟軌道17
1.4高速鐵路無砟軌道平穩性概念20
1.4.1軌道平穩性定義20
1.4.2高速鐵路無砟軌道的平順性21
1.4.3高速鐵路無砟軌道的穩定性27
1.5高速鐵路無砟軌道平穩性控制關鍵技術問題29
1.5.1路基溫度效應控制關鍵技術問題29
1.5.2無砟軌道溫度效應控制關鍵技術問題31
參考文獻35第2章
36季凍區高速鐵路路基溫度變形特征及機理

2.1工程概況36
2.1.1地質與氣候特點36
2.1.2路基結構形式38
2.1.3路基凍脹的監測38
2.2路基溫度場特征40
2.2.1氣溫變化規律40
2.2.2地溫變化特征42
2.3路基溫度變形規律44
2.3.1溫度變形經時特征44
2.3.2溫度變形的空間分布特征46
2.4路基凍結深度變化特征50
2.4.1凍結深度經時特征50
2.4.2凍結深度的空間分布特征51
2.5高速鐵路路基凍脹機理53
2.5.1土體凍脹經典理論與模型54
2.5.2粗粒土凍脹研究現狀61
2.5.3高速鐵路路基填料凍脹的微觀結構特征70
2.5.4高速鐵路路基填料凍脹機理分析84
參考文獻96第3章
100季凍區高速鐵路路基凍脹效應及其控制

3.1無砟軌道路基凍脹變形傳遞模型100
3.2路基凍脹變形對無砟軌道的影響102
3.2.1CRTS Ⅰ型板式無砟軌道受力特征102
3.2.2CRTS Ⅲ型板式無砟軌道受力特征108
3.2.3雙塊式無砟軌道受力特征114
3.3季凍區無砟軌道平穩性控制技術117
3.3.1路基凍脹變形影響的一般規律117
3.3.2路基凍脹效應控制技術路線118
3.4高速鐵路路基凍脹控制技術122
3.4.1透水型路基基床級配碎石122
3.4.2防水型路基防凍脹結構127
3.4.3混凝土基床結構134
3.5防凍脹路基結構的現場試驗136
3.5.1哈齊高速鐵路試驗段136
3.5.2透水型級配碎石的制備及施工138
3.5.3瀝青混凝土封閉層施工工藝138
3.5.4現場試驗結果及分析146
參考文獻149第4章
150季凍區高速鐵路無砟軌道溫度場特征

4.1國內外混凝土結構溫度場研究現狀150
4.1.1國外研究現狀151
4.1.2國內研究現狀154
4.2無砟軌道溫度場研究方法160
4.2.1現場測試方法160
4.2.2仿真計算方法166
4.3無砟軌道溫度場監測結果及分析170
4.3.1無砟軌道整體溫度171
4.3.2無砟軌道溫度梯度178
4.4無砟軌道溫度場計算結果及分析180
4.4.1無砟軌道整體溫度場180
4.4.2無砟軌道溫度梯度182
4.5季凍區無砟軌道溫度場特征值184
參考文獻185第5章
187季凍區高速鐵路無砟軌道溫度效應及其控制

5.1無砟軌道溫度效應計算方法187
5.1.1溫度效應計算模型187
5.1.2溫度變形和應力計算方法189
5.2CRTS Ⅰ型板式無砟軌道溫度效應191
5.2.1軌道板翹曲變形191
5.2.2軌道板翹曲應力195
5.2.3鋼軌溫度效應199
5.2.4季凍區CRTS Ⅰ型板式無砟軌道適應性205
5.3CRTS Ⅲ型板式無砟軌道溫度效應206
5.3.1軌道板翹曲變形206
5.3.2軌道板翹曲應力209
5.3.3鋼軌溫度效應214
5.3.4季凍區CRTS Ⅲ型板式無砟軌道適應性219
5.4季凍區無砟軌道溫度效應的控制219
5.4式無砟軌道219
5.4.2底座板合理長度222
5.4.3預應力軌道板223
5.4.4隔離層合理剛度226
參考文獻229第6章
231季凍區高速鐵路無砟軌道平穩性保持技術

6.1季凍區無砟軌道平順性保持技術231
6.1.1軌道不平順特征231
6.1.2軌道不平順檢測技術237
6.1.3軌道適度平順性維護技術252
6.2無砟軌道離縫效應及控制技術255
6.2.1離縫效應試驗結果及分析255
6.2.2試驗工況的離縫效應計算結果及分析262
6.2.3離縫檢測技術269
6.3季凍區無砟軌道材料劣化及控制技術279
6.3.1混凝土凍融破壞機理280
6.3.2混凝土凍融破壞的影響因素281
6.3.3混凝土抗凍性指標283
6.3.4板下充填層抗凍技術285
參考文獻291

我國高速鐵路發展取得的成就舉世矚目。到2020年底，高速鐵路運營裡程將超過38000km，占世界高速鐵路運營裡程的2/3，商業運營速度達到350km/h，位居世界。其中，季節凍土區（以下稱“季凍區”）高速鐵路運營裡程超過8000km。地處嚴寒季凍區的哈大高速鐵路，鼕季商業運營速度達到300km/h，成為世界上季凍區商業運營速度的鐵路。我國季凍區高速鐵路建設運營一個重要的成功經驗是全面、繫統地應用了無砟軌道，這不僅解決了季凍區嚴酷環境下有砟軌道平穩性差、維修工作量大、道砟二次飛濺等問題，更重要的是消除了有砟軌道鼕季道床凍脹對軌道不平順的影響，為高速列車安全、平穩運行提供了保障。
季凍區高速鐵路無砟軌道的應用需要解決兩大關鍵核心技術問題。一是路基的溫度效應問題，表現為年復一年的鼕季凍脹上拱、春季融化沉落，導致線路高程的循環變化，影響無砟軌道的高平順性和強度安全性。二是無砟軌道的溫度效應問題，表現為夏季超大的日溫差下軌道板強烈的循環翹曲變形、超大的年溫差下無砟軌道的伸縮變形，以及鼕季極低溫度下材料的凍融損傷，影響無砟軌道結構的強度安全性、變形穩定性和材料耐久性。
季凍區路基溫度效應問題在普速鐵路上十分突出，我國東北地區冷月平均氣溫可達－20℃以下，普速鐵路路基鼕季凍脹量可達到50mm以上，春季翻漿冒泥問題嚴重。季凍區無砟軌道溫度效應問題為典型的是日本東北新干線，由於板式無砟軌道采用非抗凍的CA砂漿，1987—1988年對數百千米的線路進行了整治。筆者在2001年參與組織秦瀋客運專線綜合試驗時開始關注季凍區高速鐵路溫度效應問題，特別是線路開通運營以後，無砟軌道試驗段CA砂漿充填層出現了日本東北新干線類似的傷損，路基凍脹量達到20mm以上，對高速鐵路運營安全和效率產生了嚴重影響。隨著我國高速鐵路建設規模的快速擴大，無砟軌道鋪設範圍越來越廣，結構傷損及材料劣化問題相繼出現，其中基礎變形荷載與溫度荷載效應更為突出，成為影響無砟軌道平穩性的主要因素。為此，筆者開始將研究重點向無砟軌道與基礎的相互作用聚焦，構建了基礎變形傳遞模型，提出了高速鐵路無砟軌道和路基多層結構變形調控理論；組織了全國各溫度區無砟軌道溫度場及溫度效應現場測試，提出了我國高速鐵路無砟軌道溫度分區及溫度荷載特征值，揭示了無砟軌道層間黏結失效機理，構建了無砟軌道溫度效應控制技術體繫。2012年，世界上嚴寒季凍區條高速鐵路——哈大高速鐵路開通運營，由於缺乏嚴寒季凍區運營經驗，采取鼕季運營速度200km/h、夏季運營速度300km/h的鼕夏兩種速度的運輸方式以確保運營安全。為掌握嚴寒季凍區高速鐵路運營安全規律，筆者及研究團隊持續開展科技攻關，進一步揭示了季凍區高速鐵路溫度場特征、路基和無砟軌道溫度變形機理及其效應，研究成果支撐哈大高速鐵路鼕季以300km/h的速度運營，並在哈齊、瀋丹、哈牡、哈佳、京張、京瀋、蘭新等高速鐵路建設與運營中得到推廣應用。
本書是近20年來研究成果的總結。全書共分6章，介紹了我國季凍區高速鐵路路基和無砟軌道的溫度效應，以及高速鐵路無砟軌道平穩性保持技術。
在鼕季路基溫度效應方面，探明了嚴寒季凍區高速鐵路路基凍脹變形時空分布規律，試驗發現了粗粒土填料中細顆粒呈簇團分布的特點，揭示了高速鐵路路基細顆粒簇團凍脹機理；解析了路基凍脹變形與無砟軌道平穩性的映射關繫，提出了高速鐵路無砟軌道路基凍脹效應控制的技術路線，研發了基於細顆粒簇團控制的透水型和防水型路基防凍脹結構及混凝土基床結構，形成了高速鐵路路基凍脹控制成套技術。
在夏季無砟軌道溫度效應方面，探明了嚴寒季凍區無砟道床夏季表面溫度波動劇烈、正負溫度梯度的一般規律，提出了季凍區整體溫度、溫度梯度等溫度場特征值、建議值；解無砟軌道結構溫度位移對無縫線路鋼軌受力的影響規律，提出了季凍區無砟軌道溫度效應的控制措施。
在無砟軌道平穩性保持技術方面，闡述了軌道不平順、結構效應和材料耐久性控制機理與技術，發現了季凍區無砟軌道平順性變化以高低不平順產生與發展為特征、以軌道板和底座板長度為周期的變化特點，構建了不平順檢測技術體繫，提出了精準監測基礎上的適度平順維護技術；闡釋了離縫條件下軌道結構的受力特征及動力響應，揭示了板下離縫檢測機理，研發了離縫檢測技術；揭示了通過提升材料的密實性和均質性提高抗凍性能的機理，構建了以自密實混凝土、CA砂漿抗凍技術為核心的季凍區高速鐵路無砟軌道抗凍技術體繫。
在高速鐵路無砟軌道平穩性研究過程中，中國鐵道科學研究院江成研究員、蔡德鉤研究員、姜子清研究員、李化建研究員、趙磊副研究員、徐旸博士，中鐵第四勘察設計院孫立教授級高工、王森榮教授級高工，北京交通大學高亮教授、蔡小培教授，西南交通大學劉鈺博士，東南大學蔣金洋教授，中國國家鐵路集團楊國濤正高級工程師、劉俊飛博士，以及研究團隊的其他專家、學者為研究成果的取得付出了辛勤勞動和智慧，在此一並表示感謝。在本書介紹的成果中，蔣金洋協助完成了粗粒土的微觀結構試驗，徐旸協助完成了細顆粒簇團凍脹的計算，趙磊和劉鈺協助完成了無砟軌道溫度效應的計算，在此一並表示感謝。
筆者常懷“敬惜字紙”之心，寫作中力求觀點新穎、邏輯嚴密、表述準確，能使讀者開卷有益，奈何力有所不逮、技術有所不及，謬誤之處敬請批評指正。

作者2020年11月