治愈道路“凍傷”，讓“雪國列車(chē)”安全飛馳！
2022年歲首年月，哈牡高鐵線(xiàn)上，一個(gè)高鐵進(jìn)站時(shí)激起漫天雪霧的視頻，令很多人驚呼現實(shí)版“雪國列車(chē)”就在面前。而此絕美場(chǎng)景的背后，是科研工做者為了讓“風(fēng)雪嚴寒不再成為高鐵禁區”而展開(kāi)的一項項艱辛攻關(guān)。
寒區工程之所以是項世界性難題，其首惡在于凍土。凍土，是一種含地下冰的特殊土體，凍結時(shí)可能會(huì )發(fā)作凍脹，形成路面毀壞；融化時(shí)則似一團稀泥，喪失承載力。因而在季節性?xún)鐾羺^占疆土面積1/*的中國，克制空中冬夏日節的熱脹冷縮，成為修好高鐵路基的首要難題。
中南大學(xué)土木匠程學(xué)院盛岱超、張升團隊提出的非飽和凍土理論，提醒了路基凍脹的宏細不雅機造，并提出響應的防治辦法和關(guān)鍵設想參數，為治愈路基“凍傷”開(kāi)出良方，讓高速動(dòng)車(chē)穿越嚴寒，平安疾馳在雪原之上成為可能。
“憑空”抓住做亂的水
2012年冬，世界上第一條穿越高寒地域的高速鐵路——哈大高鐵的通車(chē)備受注目。但運營(yíng)之初，哈大高鐵分冬夏差別速度開(kāi)行的信息以及路基被大面積凍脹的新聞，引起了遠在長(cháng)沙的中南大學(xué)科研團隊的存眷。
世界首條在高寒地域建立的高鐵——哈大高鐵
所謂“凍脹”，是因為土中水結冰和冰體的增長(cháng)，引起土顆粒間的相對位移所產(chǎn)生的土的體積的膨脹。處理凍脹問(wèn)題的關(guān)鍵在于防水。為此，哈大高鐵在建立時(shí)就接納了改善路基填料、設置隔水層、加強排水等手藝，并通過(guò)路基注漿和外表封鎖等體例對受損路段停止彌補。但不到一年，凍脹再次發(fā)作。
無(wú)論是對水、仍是冰，地表水、仍是地下水，工程人員都有針對性地采納了防水辦法，卻照舊防不堪防。原有的防凍脹設想為何失效？水從哪里來(lái)的呢？新的凍脹的物理機造是什么？那在中南大學(xué)土木匠程學(xué)院引起了科研人員的討論。
難不成水是憑空生成的？歷經(jīng)頻頻思索后，一個(gè)設法猶如投進(jìn)湖中的石子，激起層層漣漪——也許水，就來(lái)自土壤中的空氣里?！皞鹘y巖土標準及工程設想幾乎不曾考慮過(guò)氣態(tài)水的遷徙、聚集和相變問(wèn)題?！睆埳齻魇诮榻B道，“在少少降水的敦煌，莫高窟壁畫(huà)上卻常有水汽附著(zhù)。那賜與了我們啟發(fā)?！?/p>
團隊在高鐵路塹邊坡探槽試驗及取樣闡發(fā)
在寒旱天氣區，地表溫度終年在零度以下，隨凍結開(kāi)展，路基表層蒸發(fā)量逐步降低。土壤中的水汽向上遷徙時(shí)，在不透氣籠蓋下蒸發(fā)受阻，容易凝華成冰儲蓄積累，招致土體含水率大幅增加以至到達飽和。那個(gè)過(guò)程比如生活中看到的冰箱結霜，因而，盛岱超傳授將那種現象形象地稱(chēng)為“冰箱效應”。隨后基于自主研發(fā)的試驗儀器， 團隊通過(guò)系列模仿嘗試，驗證了“冰箱效應”的存在，并明白了其發(fā)作機理。
201*年起，團隊起頭與哈大高鐵建立單元聯(lián)系，闡了然相關(guān)概念與致災機理，并對路基凍融變形停止了現場(chǎng)監測，搜集到了路基含水率、地溫、路基變形等數據，對工務(wù)部分闡發(fā)凍脹成因、日常維修、凍害整治計劃造定供給了幫忙，為之后哈大高鐵實(shí)現“冬夏一張圖”運營(yíng)做出奉獻。
從“防不堪防”到“可防可控”
2014年起頭，在科技部97*項目、國度天然科學(xué)基金重點(diǎn)項目等項目標幫助下，盛岱超團隊開(kāi)展持續攻關(guān)，不竭將研究推向系統、深切，構建起非飽和凍土理論。
在確定了水從何而來(lái)之后，更重要的工做是若何將水防住。哪些因素會(huì )影響到水的凝華？影響水平若何？有無(wú)規律可循？那背后涉及到大量復雜而細密的丈量、闡發(fā)與計算工做。
起首要處理的是數據搜集問(wèn)題，一方面，團隊成員從寒旱地域差別省份搜集到各類(lèi)類(lèi)型的天然土，在嘗試室里頻頻停止單位試驗；另一方面，他們奔波在國度嚴重工程項目現場(chǎng)收羅一手數據停止測試。在此過(guò)程中，團隊的研究視野從高鐵路基擴展到機場(chǎng)道基。他們發(fā)現，寒旱天氣區機場(chǎng)的飛機跑道容易開(kāi)裂，以至呈現“掉?！鼻闆r，那對容不得半點(diǎn)異物的跑道而言可是致命的平安隱患。但掀開(kāi)跑道后發(fā)現，下面的碎石層里積蓄了大量的水，而同樣深度的其他土層卻枯燥無(wú)比?！氨湫眲偤媚軌蚝芎媒忉屇且环闯Ｇ闆r的呈現。于是，道基富水問(wèn)題嚴峻的機場(chǎng)也成為了他們的科研“戰場(chǎng)”。
在大量的數據根底上，顛末頻頻的測試與闡發(fā)計算， 團隊成立了綜合考慮凝固、冷凝和凝華全相變過(guò)程的非飽和凍土水-熱-氣耦合遷徙模子，提出了高度非線(xiàn)性數學(xué)模子的數值求解辦法，構成了非飽和凍土水氣遷徙與相變理論。
團隊在寒區高鐵現場(chǎng)調研及測試
“我們將傳統非飽和土的滲入參數，開(kāi)展到了負溫前提，構成了參數化系統確實(shí)定辦法?！睘榱俗尷碚摳g接地指點(diǎn)工程理論，團隊投入大量精神在非飽和凍土滲入參數系統確實(shí)定?！皡荡_定后，工程人員能夠按照現場(chǎng)測試到的數據，間接套用進(jìn)數學(xué)公式中，算出需要對變量做出如何的調整?！睆埳忉尩?。
因為氣態(tài)水的“闖入”，傳統理論提出的一些參數、目標將不再適用。為此，團隊設想出新的計算辦法，同時(shí)考慮了氣態(tài)水和液態(tài)水遷徙，僅需鴻溝溫度、干密度及滲入參數等曲不雅易得的參數，即可模仿凍脹過(guò)程，實(shí)現了非飽和土粗粒土凍脹和典范飽和土凍脹的同一。
高山填方機場(chǎng)夯實(shí)現場(chǎng)考察
此外，基于手中海量的凍脹數據，團隊查驗了差別國度和地域凍脹敏感性的分級辦法和系統，更新了凍脹敏感性的定義，提出了新的綜合考慮情況因素的土體凍脹敏感性評價(jià)系統，讓目標愈加明白易測。
“非飽和土凍土理論的研究絕不克不及“夸夸其談”，只要應用于工程理論中，才氣實(shí)現價(jià)值更大化?！睋F隊成員滕繼東傳授介紹，本身以及包羅葉新宇副傳授、童晨光博士在內的那收年輕團隊，不斷努力于致災防治和全過(guò)程智能監測的成套手藝的研發(fā)，為高速鐵路、戰略機場(chǎng)等嚴重工程平安退役供給理論與手藝支持。
目前，非飽和土凍脹相關(guān)功效已經(jīng)應用于闡發(fā)寒旱區高鐵路基的變形機造，并在哈大高鐵、哈牡高鐵、哈齊高鐵、蘭新高鐵等工程建立中應用。機場(chǎng)道基水分富集機造的相關(guān)功效以明白條則納入《民用機場(chǎng)高填方工程手藝標準》《民用機場(chǎng)巖土工程設想標準》，在北京大興機場(chǎng)等我國填方面積、填方厚度、填方量更大的*個(gè)機場(chǎng)、我國8*%的4F機場(chǎng)交通樞紐以至“一帶一路”多個(gè)國度的機場(chǎng)中闡揚感化。
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來(lái)源|新聞中心
圖片|“人民鐵道”* 土木匠程學(xué)院
做者|唐瀟珺
編纂|吉海萍
審核|韓艷
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