PerLA：一个热-水-力-力学框架，用于耦合陆地与大气之间的相互作用，以评估永冻土地区高速公路和铁路路基的性能

《Computers and Geotechnics》：PerLA: A thermo-hydro-mechanical framework coupling land–atmosphere interactions for evaluating highway and railway subgrade performance in permafrost regions

　　

摘要

全球城市化进程加速了高速公路和铁路网络向对气候敏感的永冻土区域的扩张，在这些地区，冻融过程会导致道路损坏并影响关键基础设施。这种破坏主要是由于路堤表面两侧辐射吸收不均匀造成的温度和变形差异所致。然而，将太阳辐射、大气辐射和湍流热量与地下冻融过程联系起来的物理机制仍然是一个具有挑战性的问题，这阻碍了对这些地区基础设施不稳定性的准确评估和有效缓解。为了解决这一科学问题，我们开发了一个新的热-水-力耦合框架（PerLA），以合理评估永冻土高速公路和铁路路堤的性能。该模型通过双向耦合将地下过程与地表平衡集成在一起，能够在亚日尺度的气象强迫下模拟冻土工程中的多维热-水-力动态。模型同时考虑了辐射热流和湍流热流，并将其与地面导热热耦合，作为地下系统的边界条件。地下模型包括地面热传递、水-冰相变、水分迁移、冰分离、冻胀和融沉现象，并基于能量、质量和动量守恒方程构建。该模型采用了一种新的土壤冻结特性曲线，考虑了冰透镜的增长。这两个模块都经过现场和实验室观测数据的验证。利用所提出的模型，还可以再现永冻土路堤的阴坡和阳坡效应。数值结果表明，气候变暖导致永冻土层的下降和路堤的逐渐沉降。此外，阳坡的沉降比阴坡更为明显，从而导致路堤的显著不对称变形。

引言

全球城市化正在推动高速公路和铁路网络向永冻土区域的扩展，这些区域占据了北半球大约15%的土地表面（Obu, 2021）。然而，由于永冻土对气候变化的高度敏感，道路建设面临着重大挑战（Nelson et al., 2001, Hjort et al., 2018）。地冰的季节性和昼夜冻融过程会导致地面不均匀沉降，威胁到关键基础设施（Ran et al., 2022, Tang et al., 2024）。此外，建在永冻土地基上的沥青路面具有较高的太阳辐射吸收率和热储存能力，与自然地表相比吸热更多（Bai et al., 2022）。这种加剧的热积累加剧了结构的不对称变形，并加速了各种道路损坏，尤其是在太阳辐射强烈的地区（Wang et al., 2025）。例如，青藏高原的平均每日太阳辐射量为21 MJ/m²，大约是类似纬度中国城市的65倍（Liu et al., 2012, Tang et al., 2013）。永冻土的脆弱性和强烈的太阳辐射作用使得永冻土地基在热扰动下的热力学不稳定性成为该地区的一个普遍且关键的问题（Doré et al., 2016, Zhang et al., 2016）。

入射太阳辐射的季节性和昼夜变化会导致永冻土地基的不对称热储存和随之而来的变形（Zhang et al., 2018）。特别是在阳坡和阴坡上，由于热量吸收的不均匀性导致的显著沉降是工程实践中一个关键问题。人们已经采取措施来缓解永冻土地区路堤性能的下降（Chou et al., 2010, Pei et al., 2017）。两种主要的管理策略是安装遮阳板以阻挡阳光（Li et al., 2008）以及在路堤表面涂抹高反射涂层以提高太阳反射率（Qin et al., 2016, Jiang et al., 2019）。这些工程解决方案的本质是通过优化辐射暴露时间或表面反照率来调节路堤表面的太阳辐射吸收。为了优化不同工程条件下永冻土地基系统的性能，学者们开发了理论和数值模型来研究其热和力学不稳定性机制（Nishimura et al., 2009, Lai et al., 2014, Li et al., 2014, Na and Sun, 2017, Zhang et al., 2017, Yu et al., 2024, Luo et al., 2024）。这些模型基于规定的地表边界（图1中的地表-冻土模拟）揭示了冻土的热-水-力耦合机制，然而没有考虑驱动地表热和水分状态变化的地表-大气相互作用（图1中的大气-地表-冻土模拟）。

长期以来，人们已经认识到地表-大气相互作用在地球科学中的关键作用，即它整合了空气温度、空气湿度、风速、下行长波和短波辐射等气象变量，以确定地表能量和水分平衡（Dickinson, 1995, He et al., 2023）。永冻土及其动态进一步复杂化了各种气候扰动下地面与大气之间的水和能量交换（Westermann et al., 2016）。考虑地表-大气耦合可以更真实地反映自然过程，并提高模型的物理合理性，尽管使用预定义的地表边界可能会带来便利（Boike et al., 2003; Ling and Zhang, 2004）。在过去的十年中，人们致力于开发基于地表-大气相互作用的冻土工程物理模型（Yu et al., 2020, Wang et al., 2022, Jiang et al., 2022）。Zhang et al.（2018）和Wang et al.（2022）分别开发了二维太阳辐射传输模型，考虑了路堤表面入射辐射的昼夜和季节性变化，提高了永冻土地基温度模拟的高时间分辨率能力。然而，目前还没有一个多维模型能够全面结合地表过程（太阳辐射、大气辐射和湍流热传递）与地下热-水-力过程，以满足实际工程需求。

为了解决这一科学问题，我们提出了一个具有地表-大气相互作用功能的永冻土模型（PerLA），用于模拟高速公路和铁路地基的性能。该模型将地表平衡和地下过程耦合起来，以获得二维的温度-水分-位移响应。与地球科学中的一维模型（Westermann et al., 2016）相比，PerLA扩展了空间维度，并考虑了侧向效应。与之前简化地表-大气相互作用（通过忽略湍流热流并将地表-地下耦合简化为单向耦合的多维模型相比（Chen et al., 2021, Jiang et al., 2022），PerLA以双向耦合的方式隐式地结合了地表和地下动态，并包含了包括太阳辐射、大气辐射和湍流热传递在内的所有地表过程。这些在空间维度和物理真实性方面的改进提高了永冻土地基系统长期预测的准确性。

本文的其余部分安排如下。第2节详细介绍了PerLA框架的建立，该框架由一个地下模块和一个地表模块组成。地下模块受能量、质量和动量守恒方程的支配，用于考虑水-冰相变、冰透镜生长、冻胀和融沉现象。在此模块中，采用了一种考虑冰分离的新型土壤冻结特性曲线。随后，基于地表能量平衡方程建立了地表模块，作为地下系统的边界条件。通过整合这两个模块，最终构建了包含地表-大气相互作用的永冻土地基性能模型。第3节介绍了所提模型的数值实现和利用现场及实验室观测数据的验证。第4节再现了气候变暖下永冻土路堤的阳坡和阴坡效应。最后，第5节总结了本研究的主要结论。

节选片段

模型描述

图2展示了考虑地表-大气相互作用的永冻土地基性能分析过程（PerLA）。在地表模块中，热传递过程包括太阳辐射通过大气并与路堤表面相互作用产生的辐射热流、由风流引起对流热交换、由于降雨和降雪产生的潜热交换，以及与下方地面的导热热交换。

验证基准

在本节中，我们设置了三个验证案例以证明所提出的永冻土地基模型的有效性。第3.1节使用单侧冻结实验对地下热-水-力学模型进行了验证。然后，第3.2节和第3.3节分别验证了地表模型中的辐射热流和湍流热流。入射太阳辐射是一个复杂的驱动变量，受昼夜变化、季节变化和大气的影响

有阴坡和阳坡的路堤性能

为了应用所提出的PerLA模型来评估永冻土地基的性能，我们在青藏高原模拟了一个路堤，以捕捉冻融引起的不对称沉降并再现阳坡和阴坡的效应。Zhang et al.（2017）进行了实地实验和数值模拟，使用上层温度和水分边界条件，发现热不对称性会导致路堤的长期变形不对称。在本节中，我们尝试

结论

我们已经建立了一个理论框架，用于评估永冻土地区的公路和铁路路堤性能，该框架结合了地表-大气相互作用和地下多物理过程。已经解决了热-水-力学耦合问题、净辐射输入和地表湍流热交换，以评估永冻土地堤的不对称温度、水分和变形。一些主要结论如下：

(1)

所提出的模型PerLA，

CRediT作者贡献声明

Jiaming Ye：撰写 – 原始草稿、软件、方法论、调查、概念化。Ruiqiang Bai：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。Weipeng Xu：验证、软件、调查、形式分析。Tianju Xue：监督、软件、方法论、调查。Limin Zhang：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、概念化。

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

本研究得到了香港特别行政区政府研究资助委员会（项目编号：16201125、16206923、C7085-24GT22-606/23-R）、国家自然科学基金（编号：42471164）以及国家沿海城市气候韧性重点实验室（项目编号：ITC-SKLCRCC26EG01的支持。Jiaming Ye还感谢Jidu Yu博士和Changyi Yang先生的有益讨论。

Jiaming Ye|Ruiqiang Bai|Weipeng Xu|Tianju Xue|Limin Zhang

香港科技大学土木与环境工程系，中国香港