治愈道路“冻伤”，让“雪国列车”安全飞驰！

2022年年初，哈牡高铁线上，一个高铁进站时激起漫天雪雾的视频，令不少人惊呼现实版“雪国列车”就在眼前。而此绝美场景的背后，是科研工作者为了让“风雪严寒不再成为高铁禁区”而展开的一项项艰苦攻关。

      寒区工程之所以是项世界性难题，其罪魁在于冻土。冻土，是一种含地下冰的特殊土体，冻结时可能会发生冻胀，造成路面破坏；融化时则似一团稀泥，丧失承载力。因而在季节性冻土区占国土面积1/3的中国，克服地面冬夏季节的热胀冷缩，成为修好高铁路基的首要难题。

      中南大学土木工程学院盛岱超、张升团队提出的非饱和冻土理论，揭示了路基冻胀的宏细观机制，并提出相应的防治措施和关键设计参数，为治愈路基“冻伤”开出良方，让高速动车穿越严寒，安全疾驰在雪原之上成为可能。

  “凭空”抓住作乱的水  

      2012年冬，世界上第一条穿越高寒地区的高速铁路——哈大高铁的通车备受瞩目。但运营之初，哈大高铁分冬夏不同速度开行的信息以及路基被大面积冻胀的新闻，引起了远在长沙的中南大学科研团队的关注。

世界首条在高寒地区建设的高铁——哈大高铁

      所谓“冻胀”，是由于土中水结冰和冰体的增长，引起土颗粒间的相对位移所产生的土的体积的膨胀。解决冻胀问题的关键在于防水。为此，哈大高铁在建设时就采用了改善路基填料、设置隔水层、加强排水等技术，并通过路基注浆和表面封闭等方式对受损路段进行补救。但不到一年，冻胀再次发生。
      无论是对水、还是冰，地表水、还是地下水，工程人员都有针对性地采取了防水措施，却依旧防不胜防。原有的防冻胀设计为何失效？水从哪里来的呢？新的冻胀的物理机制是什么？这在中南大学土木工程学院引起了科研人员的讨论。
      难不成水是凭空生成的？历经反复思索后，一个想法犹如投进湖中的石子，激起层层涟漪——也许水，就来自土壤中的空气里。“传统岩土规范及工程设计几乎未曾考虑过气态水的迁移、聚集和相变问题。”张升教授介绍道，“在极少降水的敦煌，莫高窟壁画上却常有水汽附着。这给予了我们启发。”

团队在高铁路堑边坡探槽试验及取样分析

      在寒旱气候区，地表温度常年在零度以下，随冻结发展，路基表层蒸发量逐渐降低。土壤中的水汽向上迁移时，在不透气覆盖下蒸发受阻，容易凝华成冰积聚，导致土体含水率大幅增加甚至达到饱和。这个过程好比生活中看到的冰箱结霜，因此，盛岱超教授将这种现象形象地称为“冰箱效应”。随后基于自主研发的试验仪器，团队通过系列模拟实验，验证了“冰箱效应”的存在，并明确了其发生机理。

      2013年起，团队开始与哈大高铁建设单位接洽，阐明了相关概念与致灾机理，并对路基冻融变形进行了现场监测，收集到了路基含水率、地温、路基变形等数据，对工务部门分析冻胀成因、日常维修、冻害整治方案制定提供了帮助，为之后哈大高铁实现“冬夏一张图”运营做出贡献。

    从“防不胜防”到“可防可控”   

      2014年开始，在科技部973项目、国家自然科学基金重点项目等项目的资助下，盛岱超团队开展持续攻关，不断将研究推向系统、深入，构建起非饱和冻土理论。

     在确定了水从何而来之后，更重要的工作是如何将水防住。哪些因素会影响到水的凝华？影响程度如何？有无规律可循？这背后涉及到大量复杂而精密的测量、分析与计算工作。
      首先要解决的是数据收集问题，一方面，团队成员从寒旱地区不同省份收集到各种类型的自然土，在实验室里反复进行单元试验；另一方面，他们奔忙在国家重大工程项目现场采集一手数据进行测试。在此过程中，团队的研究视野从高铁路基扩展到机场道基。他们发现，寒旱气候区机场的飞机跑道容易开裂，甚至出现“掉粒”情况，这对容不得半点异物的跑道而言可是致命的安全隐患。但掀开跑道后发现，下面的碎石层里积蓄了大量的水，而同样深度的其他土层却干燥无比。“冰箱效应”恰好可以很好解释这一反常情况的出现。于是，道基富水问题严重的机场也成为了他们的科研“战场”。
      在大量的数据基础上，经过反复的测试与分析计算，团队建立了综合考虑凝固、冷凝和凝华全相变过程的非饱和冻土水-热-气耦合迁移模型，提出了高度非线性数学模型的数值求解方法，形成了非饱和冻土水气迁移与相变理论。

团队在寒区高铁现场调研及测试

      “我们将传统非饱和土的渗透参数，发展到了负温条件，形成了参数化体系的确定方法。”为了让理论更直接地指导工程实践，团队投入大量精力在非饱和冻土渗透参数体系的确定。“参数确定后，工程人员可以根据现场测试到的数据，直接套用进数学公式中，算出需要对变量作出怎样的调整。”张升解释道。
      由于气态水的“闯入”，传统理论提出的一些参数、指标将不再适用。为此，团队设计出新的计算方法，同时考虑了气态水和液态水迁移，仅需边界温度、干密度及渗透参数等直观易得的参数，即可模拟冻胀过程，实现了非饱和土粗粒土冻胀和经典饱和土冻胀的统一。

高山填方机场夯实现场考察

此外，基于手中海量的冻胀数据，团队检验了不同国家和地区冻胀敏感性的分级方法和体系，更新了冻胀敏感性的定义，提出了新的综合考虑环境因素的土体冻胀敏感性评价体系，让指标更加明确易测。

“非饱和土冻土理论的研究绝不能“纸上谈兵”，只有应用于工程实践中，才能实现价值最大化。”据团队成员滕继东教授介绍，自己以及包括叶新宇副教授、童晨曦博士在内的这支年轻团队，一直致力于致灾防治和全过程智能监测的成套技术的研发，为高速铁路、战略机场等重大工程安全服役提供理论与技术支撑。

      目前，非饱和土冻胀相关成果已经应用于分析寒旱区高铁路基的变形机制，并在哈大高铁、哈牡高铁、哈齐高铁、兰新高铁等工程建设中应用。机场道基水分富集机制的相关成果以明确条文纳入《民用机场高填方工程技术规范》《民用机场岩土工程设计规范》，在北京大兴机场等我国填方面积、填方厚度、填方量最大的3个机场、我国83%的4F机场交通枢纽甚至“一带一路”多个国家的机场中发挥作用。

往期推荐

来源|新闻中心

图片|“人民铁道”公众号 土木工程学院

作者|唐潇珺

编辑|吉海萍

审核|韩艳

                               为中南科研团队点赞！❤