寒冷地区既有有砟铁路保温措施的适用性评价及其加固方法

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Applicability evaluation of thermal insulation for existing ballasted railway and its strengthening method in cold regions

　　

- 地下水条件严重影响保温效果。
- 耦合热力机（THM）模型量化了冻胀缓解性能。
- 识别了导致过度冻胀的关键场景。
- 保温与加热协同效应使冻结深度减少超过80%。

**引言**

冻胀及其引发的次生灾害（包括融沉、泥浆涌出和开裂）是季节性冻结地区威胁交通基础设施长期性能的岩土工程挑战[1]、[2]、[3]。冻结过程中，水分迁移、冰晶分异和土壤变形的耦合过程逐步改变路基结构，导致轨道差异变形和轨道几何状态恶化。因此，乘坐舒适度、运营安全性和运输效率均可能受到影响。季节性冻土区约占中国国土面积的53.5%，其下方分布着广泛的既有铁路和公路网络[4]。长期现场观测表明，中国常规铁路路基的冻胀量通常为15至25 mm，而高速路基一般经历小于4 mm的微冻胀[5]。尽管变形量级差异显著，冻害劣化仍然是持续存在的挑战。开发有效的冻胀防治策略需要对复杂环境条件下的冻胀机理有全面认识。特别是，地下水补给和阴阳坡效应强烈影响内部热量和水分传输过程，导致冻胀发展呈现显著的空间和时间变异性。因此，阐明铁路路基的耦合热力机响应并建立可靠的防冻控制方案仍是重要的科学与工程挑战。

冻胀是由冻结条件下土壤水与热制度的耦合相互作用引起的[6]、[7]、[8]，通常需要以下必要条件：冻敏土壤、充足的水源和持续的负温度制度[9]、[10]、[11]。冻结过程中，温度梯度驱动未冻水向冻结锋面迁移，在该处积聚并形成分异冰，导致体积膨胀和土骨架的逐步变形。因此，冻胀缓解策略主要旨在调控关键过程，包括土壤特性、水分迁移和热量传输，以抑制冰晶分异并减少冻胀变形的积累。目前常用的防治措施包括热保温[12]、[13]、[14]、换填法[15]、[16]、排水系统[9]、[17]、土壤改良[18]、[19]和主动加热[20]、[21]、[22]。其中，换填法、排水和土壤改良方法主要通过降低冻胀敏感性或阻断水分迁移路径来发挥作用。相比之下，热保温和主动加热通过调控路基的热制度来从温度控制角度改变冻结过程。与其他措施相比，热保温通过增加路基结构的热阻和减弱冬季向下热量散失来延迟冻结锋面向下推进并减少冻结深度。它具有施工方便、对线路扰动小、长期运营维护成本低等优势。在铁路路基冻害整治工程中，铺设保温板已成为应用最广泛的被动温控措施之一[14]。然而，保温板主要依靠增强热阻来实现温控，其防冻效果显著受到地下水补给条件、土壤含水量和路基结构特征等因素的影响，其适用边界和长期防冻能力仍需进一步阐明。

以往的实验室研究表明，保温板可有效减少路基的冻结深度和冻胀，且其缓解性能通常随保温厚度增加而提高[23]、[24]。数值模拟进一步表明，关键设计参数（包括安装深度、空间布置、导热系数和厚度）显著影响内部温度分布和冻结锋面演化，从而控制系统的温控效率[9]、[13]、[25]、[26]。尽管这些研究已证实保温板在缓解冻胀穿透方面的有效性，但大多数研究主要关注保温参数和温度响应的优化。地下水补给、水分迁移和结构尺度相互作用对保温性能的耦合影响仍不充分。特别是在浅地下水位和高含水量环境下，保温性能的稳定性和适用性界限尚未明确建立。

与保温板依靠增强热阻的被动温控机制不同，加热法是一种通过持续热能输入调控路基温度场的主动防冻技术。该方法通过电能、地能和太阳能向路基补充热量以补偿寒冷环境下的热量损失，从而维持路基温度在0 °C以上。由此，冻结锋面的推进和分异冰的形成得到有效抑制，实现冻胀的缓解甚至消除[11]。近年来，现场监测结果表明加热法可显著改善路基热状态并有效减少冻胀，显示出良好的工程应用前景[27]、[28]、[29]。然而，对于既有铁路路基而言，即使在已实施常规被动保温措施后，在地下水位高和含水量高的条件下仍可能发生超过15 mm的冻胀，无法满足冻害控制的运营要求。这一观察表明，仅靠被动热保温不足以在复杂水热条件下抵消持续的水分补给和渐进冻结，而主动热补偿可能为克服这些限制提供可行途径。因此，将主动加热作为保温板路基补充措施的有效性仍未完全解决，特别是在冻胀缓解性能和关键设计参数（如加热温度）的确定方面。

综上所述，保温板通过增强热阻来调控路基热制度，从而减少寒冷渗透并抑制冻胀发展。然而，在阴阳坡效应、持续地下水补给和高含水量的共同作用下，既有铁路路基的保温冻胀缓解性能和适用性仍不充分，需要进一步研究。为应对这一问题，本文建立了耦合水-热-力数值模型，系统评估了不同地下水位、土壤含水量和路基高度下保温路基的冻胀缓解性能和适用性，并进一步阐明了其在复杂水热条件下的响应机理。针对保温性能不足的典型不利场景，提出了主动加热增强策略，量化了加热法的有效性，并确定了确保路基热与结构稳定所需的关键设计参数。研究结果为寒冷地区既有铁路路基冻害协同防治提供了理论基础和实践指导。

**章节摘要**

**水分迁移方程**

考虑到水分迁移和冰水相变在路基冻结过程中对冻胀发展的显著影响，水分迁移的控制方程表述如下[30]、[31]：

$$\frac{\partial \theta_u}{\partial t} + \frac{\rho_i}{\rho_w}\frac{\partial \theta_i}{\partial t} = \nabla D_{\theta_u} \nabla \theta_u - K_{\theta_u}$$

其中 $\theta_u$ 和 $\theta_i$ 分别为体积未冻水含量和体积冰含量；$\rho_i$ 和 $\rho_w$ 分别为水和冰的密度（kg/m3）；$\nabla$ 为微分算子；$D_{\theta_u}$ 为土壤水分扩散系数（m2/s）；$K_{\theta_u}$ 为土壤...

**路基热制度分析**

保温板的安装增加了路基的热阻，从而减少了向下方土壤的热量散失，并改变了温度分布和冻结制度。这些效应在缓解冻胀和增强路基热稳定性方面发挥着关键作用。为说明其内在机理，选取路基高度3 m、含水量40%、地下水位4 m的代表性案例进行对比分析。

图3展示了...

**结论**

建立了包含地下水影响和主动加热效应的耦合水-热-力模型，并通过与现场监测数据的对比进行了验证，确认了其在模拟铁路路基冻结行为方面的可靠性。利用该验证模型，系统研究了不同地下水位、含水量和路基高度下保温路基的冻结特征和冻胀缓解能力。保温路基的适用性...

**CRediT作者贡献声明**

张文强：撰写初稿、可视化、软件、方法学、调查、概念构思。魏伟：撰写——审阅与编辑。张胜金：撰写——审阅与编辑。郭磊：撰写——审阅与编辑、可视化、调查。王新兵：撰写——审阅与编辑。余启昊：监督、经费获取。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文报告的研究工作。

**致谢**

本研究由国家自然科学基金（项目编号：42501163）、甘肃省科技计划项目（项目编号：24JRRA117和25JRRA518）以及中国博士后科学基金（项目编号：2024M763513）资助。

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