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

季凍區(qū)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(xiàn)為年復一年的冬季凍脹上拱、春季融化沉落，導致線路高程的循環(huán)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(xiàn)為夏季超大的日溫差下軌道板強烈的循環(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，影響無砟軌道結構的強度安全性、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－20℃以下，普速鐵路路基冬季凍脹量可達到50mm以上，春季翻漿冒泥問題嚴重。季凍區(qū)無砟軌道溫度效應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年對數(shù)百千米的線路進行了整治。筆者在2001年參與組織秦沈客運專線綜合試驗時開始關注季凍區(qū)高速鐵路溫度效應問題，特別是線路開通運營以后，無砟軌道試驗段CA砂漿充填層出現(xiàn)了日本東北新干線類似的傷損，路基凍脹量最大達到20mm以上，對高速鐵路運營安全和效率產(chǎn)生了嚴重影響。隨著我國高速鐵路建設規(guī)模的快速擴大，無砟軌道鋪設范圍越來越廣，結構傷損及材料劣化問題相繼出現(xiàn)，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(wěn)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(qū)無砟軌道溫度場及溫度效應現(xiàn)場測試，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失效機理，構建了無砟軌道溫度效應控制技術體系。2012年，世界上嚴寒季凍區(qū)第一條高速鐵路——哈大高速鐵路開通運營，由于缺乏嚴寒季凍區(qū)運營經(jīng)驗，采取冬季運營速度200km/h、夏季運營速度300km/h的冬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(qū)高速鐵路運營安全規(guī)律，筆者及研究團隊持續(xù)開展科技攻關，進一步揭示了季凍區(qū)高速鐵路溫度場特征、路基和無砟軌道溫度變形機理及其效應，研究成果支撐哈大高速鐵路冬季以300km/h的速度運營，并在哈齊、沈丹、哈牡、哈佳、京張、京沈、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(qū)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(wěn)性保持技術。

在冬季路基溫度效應方面，探明了嚴寒季凍區(qū)高速鐵路路基凍脹變形時空分布規(guī)律，試驗發(fā)現(xiàn)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(wěn)性的映射關系，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(fā)了基于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(qū)無砟道床夏季表面溫度波動劇烈、正負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構溫度位移對無縫線路鋼軌受力的影響規(guī)律，提出了季凍區(qū)無砟軌道溫度效應的控制措施。

在無砟軌道平穩(wěn)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(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，構建了不平順檢測技術體系，提出了精準監(jiān)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(fā)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(qū)高速鐵路無砟軌道抗凍技術體系。

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構試驗，徐旸協(xié)助完成了細顆粒簇團凍脹的計算，趙磊和劉鈺協(xié)助完成了無砟軌道溫度效應的計算，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