我國高速鐵路發(fā)展取得的成就舉世矚目。到2020年底，高速鐵路運(yùn)營里程將超過38000km，占世界高速鐵路運(yùn)營里程的2/3，最高商業(yè)運(yùn)營速度達(dá)到350km/h，位居世界第一。其中，季節(jié)凍土區(qū)（以下稱“季凍區(qū)”）高速鐵路運(yùn)營里程超過8000km。地處嚴(yán)寒季凍區(qū)的哈大高速鐵路，冬季商業(yè)運(yùn)營速度最高達(dá)到300km/h，成為世界上季凍區(qū)商業(yè)運(yùn)營速度最高的鐵路。我國季凍區(qū)高速鐵路建設(shè)運(yùn)營一個(gè)重要的成功經(jīng)驗(yàn)是全面、系統(tǒng)地應(yīng)用了無砟軌道，這不僅解決了季凍區(qū)嚴(yán)酷環(huán)境下有砟軌道平穩(wěn)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冬季道床凍脹對(duì)軌道不平順的影響，為高速列車安全、平穩(wěn)運(yùn)行提供了保障。

季凍區(qū)高速鐵路無砟軌道的應(yīng)用需要解決兩大關(guān)鍵核心技術(shù)問題。一是路基的溫度效應(yīng)問題，表現(xiàn)為年復(fù)一年的冬季凍脹上拱、春季融化沉落，導(dǎo)致線路高程的循環(huán)變化，影響無砟軌道的高平順性和強(qiáng)度安全性。二是無砟軌道的溫度效應(yīng)問題，表現(xiàn)為夏季超大的日溫差下軌道板強(qiáng)烈的循環(huán)翹曲變形、超大的年溫差下無砟軌道的伸縮變形，以及冬季極低溫度下材料的凍融損傷，影響無砟軌道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全性、變形穩(wěn)定性和材料耐久性。

季凍區(qū)路基溫度效應(yīng)問題在普速鐵路上十分突出，我國東北地區(qū)最冷月平均氣溫可達(dá)－20℃以下，普速鐵路路基冬季凍脹量可達(dá)到50mm以上，春季翻漿冒泥問題嚴(yán)重。季凍區(qū)無砟軌道溫度效應(yīng)問題最為典型的是日本東北新干線，由于板式無砟軌道采用非抗凍的CA砂漿，1987—1988年對(duì)數(shù)百千米的線路進(jìn)行了整治。筆者在2001年參與組織秦沈客運(yùn)專線綜合試驗(yàn)時(shí)開始關(guān)注季凍區(qū)高速鐵路溫度效應(yīng)問題，特別是線路開通運(yùn)營以后，無砟軌道試驗(yàn)段CA砂漿充填層出現(xiàn)了日本東北新干線類似的傷損，路基凍脹量最大達(dá)到20mm以上，對(duì)高速鐵路運(yùn)營安全和效率產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。隨著我國高速鐵路建設(shè)規(guī)模的快速擴(kuò)大，無砟軌道鋪設(shè)范圍越來越廣，結(jié)構(gòu)傷損及材料劣化問題相繼出現(xiàn)，其中基礎(chǔ)變形荷載與溫度荷載效應(yīng)更為突出，成為影響無砟軌道平穩(wěn)性的主要因素。為此，筆者開始將研究重點(diǎn)向無砟軌道與基礎(chǔ)的相互作用聚焦，構(gòu)建了基礎(chǔ)變形傳遞模型，提出了高速鐵路無砟軌道和路基多層結(jié)構(gòu)變形調(diào)控理論；組織了全國各溫度區(qū)無砟軌道溫度場及溫度效應(yīng)現(xiàn)場測(cè)試，提出了我國高速鐵路無砟軌道溫度分區(qū)及溫度荷載特征值，揭示了無砟軌道層間黏結(jié)失效機(jī)理，構(gòu)建了無砟軌道溫度效應(yīng)控制技術(shù)體系。2012年，世界上嚴(yán)寒季凍區(qū)第一條高速鐵路——哈大高速鐵路開通運(yùn)營，由于缺乏嚴(yán)寒季凍區(qū)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，采取冬季運(yùn)營速度200km/h、夏季運(yùn)營速度300km/h的冬夏兩種速度的運(yùn)輸方式以確保運(yùn)營安全。為掌握嚴(yán)寒季凍區(qū)高速鐵路運(yùn)營安全規(guī)律，筆者及研究團(tuán)隊(duì)持續(xù)開展科技攻關(guān)，進(jìn)一步揭示了季凍區(qū)高速鐵路溫度場特征、路基和無砟軌道溫度變形機(jī)理及其效應(yīng)，研究成果支撐哈大高速鐵路冬季以300km/h的速度運(yùn)營，并在哈齊、沈丹、哈牡、哈佳、京張、京沈、蘭新等高速鐵路建設(shè)與運(yùn)營中得到推廣應(yīng)用。

本書是近20年來研究成果的總結(jié)。全書共分6章，介紹了我國季凍區(qū)高速鐵路路基和無砟軌道的溫度效應(yīng)，以及高速鐵路無砟軌道平穩(wěn)性保持技術(shù)。

在冬季路基溫度效應(yīng)方面，探明了嚴(yán)寒季凍區(qū)高速鐵路路基凍脹變形時(shí)空分布規(guī)律，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了粗粒土填料中細(xì)顆粒呈簇團(tuán)分布的特點(diǎn)，揭示了高速鐵路路基細(xì)顆粒簇團(tuán)凍脹機(jī)理；解析了路基凍脹變形與無砟軌道平穩(wěn)性的映射關(guān)系，提出了高速鐵路無砟軌道路基凍脹效應(yīng)控制的技術(shù)路線，研發(fā)了基于細(xì)顆粒簇團(tuán)控制的透水型和防水型路基防凍脹結(jié)構(gòu)及混凝土基床結(jié)構(gòu)，形成了高速鐵路路基凍脹控制成套技術(shù)。

在夏季無砟軌道溫度效應(yīng)方面，探明了嚴(yán)寒季凍區(qū)無砟道床夏季表面溫度波動(dòng)劇烈、正負(fù)溫度梯度最大的一般規(guī)律，提出了季凍區(qū)整體溫度、溫度梯度等溫度場特征值、建議值；解析了單元無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度位移對(duì)無縫線路鋼軌受力的影響規(guī)律，提出了季凍區(qū)無砟軌道溫度效應(yīng)的控制措施。

在無砟軌道平穩(wěn)性保持技術(shù)方面，闡述了軌道不平順、結(jié)構(gòu)效應(yīng)和材料耐久性控制機(jī)理與技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了季凍區(qū)無砟軌道平順性變化以高低不平順產(chǎn)生與發(fā)展為特征、以軌道板和底座板長度為周期的變化特點(diǎn)，構(gòu)建了不平順檢測(cè)技術(shù)體系，提出了精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上的適度平順維護(hù)技術(shù)；闡釋了離縫條件下軌道結(jié)構(gòu)的受力特征及動(dòng)力響應(yīng)，揭示了板下離縫檢測(cè)機(jī)理，研發(fā)了離縫檢測(cè)技術(shù)；揭示了通過提升材料的密實(shí)性和均質(zhì)性提高抗凍性能的機(jī)理，構(gòu)建了以自密實(shí)混凝土、CA砂漿抗凍技術(shù)為核心的季凍區(qū)高速鐵路無砟軌道抗凍技術(shù)體系。

在高速鐵路無砟軌道平穩(wěn)性研究過程中，中國鐵道科學(xué)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(shè)計(jì)院孫立教授級(jí)高工、王森榮教授級(jí)高工，北京交通大學(xué)高亮教授、蔡小培教授，西南交通大學(xué)劉鈺博士，東南大學(xué)蔣金洋教授，中國國家鐵路集團(tuán)楊國濤正高級(jí)工程師、劉俊飛博士，以及研究團(tuán)隊(duì)的其他專家、學(xué)者為研究成果的取得付出了辛勤勞動(dòng)和智慧，在此一并表示感謝。在本書介紹的成果中，蔣金洋協(xié)助完成了粗粒土的微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，徐旸協(xié)助完成了細(xì)顆粒簇團(tuán)凍脹的計(jì)算，趙磊和劉鈺協(xié)助完成了無砟軌道溫度效應(yīng)的計(jì)算，在此一并表示感謝。

筆者常懷“敬惜字紙”之心，寫作中力求觀點(diǎn)新穎、邏輯嚴(yán)密、表述準(zhǔn)確，能使讀者開卷有益，奈何力有所不逮、技術(shù)有所不及，謬誤之處敬請(qǐng)批評(píng)指正。

作者2020年11月