在永久冻土地区，铁路轨道的不稳定性在现代气候条件下尤为突出，这种不稳定性会受到列车运行时产生的振动的影响，从而增加轨道发生故障的风险

《Cold Regions Science and Technology》：Instability of railway tracks in permafrost regions, targeted for failure under modern climate conditions, with operational vibrations of trains

气候变暖导致永久冻土退化，铁路路基机械行为改变及振动失效风险显著增加。本研究耦合热-水-力耦合模型与列车动态载荷特征，揭示冻融循环下路基的动态变形规律及失效机理。通过分析不同冻融期列车运行速度（50-200 km/h）的变形响应，发现夏季冻土融化使峰值动态变形增加25%-40%，并识别出200 km/h的安全速度阈值，Sperling指数显示高动态失稳风险。研究成果为极地铁路工程安全评估提供量化依据。

　　

文绍新|安德烈·佩特里亚耶夫|刘建坤|玛丽亚·切蒂娜|严一辉

中山大学土木工程学院 & 广州隧道工程国家重点实验室，中国广州 510275

摘要

气候变暖导致的永久冻土退化从根本上改变了铁路路基的力学行为，显著增加了列车运行时振动引起的不稳定性风险。本研究通过结合冻土融化引起的热-水-力（THM）退化与列车的循环载荷，探讨了永久冻土地区铁路路基的动态响应，重点关注其破坏机制。开发了一个用于非饱和冻结土壤的THM耦合模型，以量化气候变暖条件下温度和水分场的季节性变化。提出了一种列车动态载荷表征方法，该方法将激励力理论与心形方程相结合，以实现轴载荷的真实表示。分析了列车速度在50公里/小时到200公里/小时范围内，冻结和融化期间路基的动态变形情况。结果表明，气候变暖使路基的年温度变化范围在-9.04°C到14.96°C之间。融化条件使振动引起的峰值动态变形相对于冻结状态增加了25%到40%。确定了一个临界运行速度阈值，超过该阈值后，路基变形会超过可接受的范围，列车运行稳定性会迅速恶化。在200公里/小时的速度下，冬季的斯珀林指数为3.03，夏季为3.36，表明存在较高的动态不稳定性风险。该研究揭示了由永久冻土融化和列车振动共同驱动的破坏机制，为气候变暖背景下铁路基础设施的故障预防提供了定量阈值。

引言

随着“温室效应”的持续影响，全球范围内的温度上升已成为不可否认的事实。根据2007年的预测，到21世纪末，全球平均表面温度可能上升1.1–6.4°C（Shen, 2007）。由于气候变暖，永久冻土土壤经历了显著且不可逆的融化过程——冻结土壤的温度升高，季节性融化深度增加（Liu et al., 2021; Luo et al., 2021; Zhao et al., 2020）。外部降雨也加速了永久冻土的退化（Han et al., 2024; Lv et al., 2024）。永久冻土的融化导致土壤刚度降低，从而减少了路基土壤的抗变形能力。最近的数据表明，包括中国、俄罗斯、美国和加拿大在内的国家，越来越多的铁路因冻结路基土壤融化而发生变形。

永久冻土地区铁路路基的变形主要包含四种类型：路堤填料变形、季节性融化层的压实变形、永久冻土的融化沉降以及温暖永久冻土的压缩变形（Tai et al., 2020; Liu et al., 2025）。这些变形主要来源于静载荷、动载荷以及地面温度的变化（Wu et al., 2023）。静载荷主要来自路堤结构本身的自重，而动载荷则主要由地震活动和经过列车的运行振动引起。重型铁路系统的不断发展放大了过量列车载荷对铁路路基动态响应特性的影响。这对铁路工程提出了严峻挑战，特别是在对温度敏感的永久冻土地区，热载荷和机械载荷之间的相互作用带来了独特的难题（Alizadeh et al., 2023）。

已经对非冻结地区移动列车载荷对铁路路基的动态响应进行了广泛研究。通过实验和数值研究，严格证明了路基弹性模量在控制轨道结构刚度方面的关键作用（Brough et al., 2006）。在Lei et al.（2023）的研究中，基于Biot波方程和饱和多孔介质的固结理论，讨论了饱和路基在列车诱导动载荷下的动态响应特性。Lu et al.（2018）和Fang et al.（2018）基于Biot理论研究了非饱和铁路路堤在移动列车载荷下的动态响应。

对于宏观土壤结构，THM耦合分析方法是研究寒冷地区铁路路基的温度、含水量和变形特性的关键方法（Zhang et al., 2020）。在研究冻结土壤区域铁路路基变形时，Zhang et al.（2023）基于非饱和冻结土壤的水热耦合模型和车辆-轨道相互作用动态模型，构建了一个3D有限元模型，以探索6种不同路堤结构在季节性冻结土壤环境中的动态响应传递机制。Zhu et al.（2022）确定地面温度和路堤高度是控制永久冻土路基塑性沉降和动态变形特性的主要因素。为应对低温土壤-结构相互作用的挑战，永久冻土铁路路基建设的岩土工程标准正在逐步提高。计算安全参数（轮轨垂直接触力；车轮卸载率）和稳定性指标（车辆垂直加速度；斯珀林指数）构成了分析移动载荷激励下轨道-路基界面动态响应机制的关键方法（中国国家铁路局，2020；国际铁路联盟，2009）。

融化期间永久冻土路基的结构稳定性仍然是一个关键的岩土工程挑战，铁路交通的高频循环载荷可能导致近表面永久冻土层的热-机械退化。然而，目前的研究主要集中在非冻结地区或冻结期间永久冻土地区的铁路路基融化沉降和振动变形（Qi et al., 2012）。关于移动列车载荷下永久冻土地区铁路路基的振动诱导变形及其相关破坏行为的研究，特别是在融化阶段过载情况下的研究仍然有限。因此，在气候变暖背景下研究列车运行对融化路基土壤振动变形的影响具有重要的理论和实践意义。此类工作为未来在脆弱永久冻土环境中铁路基础设施的设计、建设和预防性维护提供了必要的见解。

本研究通过数值模拟方法，研究了气候变暖情景下永久冻土地区铁路路基的与破坏相关的振动响应。首先，开发了一个用于非饱和冻结土壤的THM耦合模型，该模型考虑了冰水相变对热应力特性的影响，揭示了气候变暖条件下永久冻土路基结构内部温度和水分场的时间分布。然后，使用新开发的列车载荷表征方法，系统地分析了冬季和夏季运行情景下路基振动诱导变形模式的变化。最后，基于斯珀林指数定量评估了列车运行的动态稳定性，并将结果与既定的安全阈值进行了比较。研究结果为气候变暖条件下永久冻土地区铁路基础设施的故障预测和运行维护提供了机制基础。

非饱和土壤的THM耦合模型

建立合适的THM耦合模型是解决冻融引起的岩土工程问题的关键。通过基于傅里叶定律和达西定律为非饱和土壤开发该模型，可以通过修改耦合THM模型中的相关参数来简单应用于所有类型的冻结土壤。为了建立非饱和土壤的THM耦合模型，做出以下假设：土壤是一种由四种相组成的均匀各向同性材料：

路基剖面和物理参数

THM耦合模型应用于位于永久冻土区域的青藏铁路北麓段（Yin et al., 2017）。结构设计中使用了2D路基模型，路基的坡度为1:1.5。设计图如图4所示。

路基土壤的主要物理参数见表1（Yuan et al., 2018; Zheng et al., 2010）。

边界条件和初始值

温度边界条件：上边界条件被接受为第一种边界条件

路基土壤的动态参数

轨道和路基的相对位置以及列车运动的方向如图8所示。

为了数值计算路基的动态特性，需要使用路基土壤的动态弹性模量和泊松比。对于冻结和融化的土壤，这两个参数是恒定的。这些值见表5（Tang et al., 2021）。

考虑四个因素的综合影响：土壤温度T、含水量ω、围压σ₃

讨论

列车通过后，路基的弹性变形可以完全恢复，而不可逆的塑性变形则保留下来。尽管在路基振动变形的短期分析中可以忽略这种塑性变形，但在考虑长期路基变形时，它成为一个关键因素。为了解决这个问题，通常使用与列车通过次数相关的幂函数来描述累积塑性变形：${\delta }_p={\mathrm{AN}}^B$其中δ_p表示

结论

本研究通过分析气候变暖条件下永久冻土路基的温度-水分演变和列车诱导的变形，开发了一个多物理框架来阐明其破坏机制，并通过斯珀林指数评估了运行稳定性。本研究的主要结论如下：

（1）气候变暖条件下青藏铁路北麓段路基的最高温度为14.96°C（7月份），最低温度为

CRediT作者贡献声明

文绍新：撰写——原始草稿，数据整理，方法论，软件。安德烈·佩特里亚耶夫：概念构思，监督，资源获取。刘建坤：资金获取，验证，可视化。玛丽亚·切蒂娜：正式分析，撰写——审阅与编辑。严一辉：软件，撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42571156和42171130）的支持。