季节性冻土地区高速铁路路基在气温变化、冻融循环的反复作用以及反复列车振动冲击的相互作用下,路基土体内的应力、变形的变化机理尤为复杂。由于目前路基沉降变形问题的研究成果多集中在考虑静荷载或是普通列车,对于综合考虑动荷载和冻融循环作用下路基的变形规律的研究尚未成熟。本文以哈大高铁工程为研究对象,参考前人关于季冻区铁路路基防冻层设计特点和工作特性的研究,根据热力学相关理论,采用耦合热-流体力学分析模型(流动变形)的数值模型,利用PLAXIS有限元软件实现路基土体THM(水热力耦合)数值仿真分析,运用PLAXIS软件提供的HSS本构模型(小应变土体硬化模型),考虑气温变化、路基填料的冻胀率、防冻层导热性等因素,研究分析高铁路基在冻融循环作用下的温度分布和沉降变形。在此基础上,采用PLAXIS动力模拟和时程分析,研究冻土地基在结冰状态和融化状态时的残余变形和最终沉降变形,计算路基在动力荷载作用下的最终沉降量。本文主要取得以下成果:(1)地层中的温度影响随土体深度加深而衰减,土体中结冰层厚度最大值形成时期在全年出现最低温度和冰点温度日期之间。铁路路基防冻层导热性会影响路基结冰层的厚度,防冻层下方的结冰厚度显著小于两侧边坡。因此合理设计防冻层可以有效控制路基土体的冻融状态。土体结冰层厚度是由气温变化、地层深处的温度、地层导热系数和基础结构等综合因素共同决定的。(2)随着气温降低,高铁路基将发生沉降。当气温达到全年最低时,高铁路基的沉降量达到稳定状态。随着气温回升到冰点以上,路基土体的结冰层会从上而下逐步融化,随后高铁路基将发生热膨胀。高铁路基具体的沉降与回弹量建议通过数值分析获得,以为铁路路基工程设计提供参考依据。(3)分别对结冰状态和融化状态的路基土体施加交通荷载,分析路基土体结冰层对地基土体刚度的影响,结果显示:路基土体的刚度在结冰状态下较大,如果按照机床系数考虑,路基土体刚度甚至提升了1倍左右,说明THM(水-热-力耦合)数值仿真模型能够充分考虑物理状态对力学状态的影响。(4)对路基土体防冻层的导热系数进行变量分析,获得具体规律如下:防冻层导热系数从参数1提升到参数2,路基土体结冰层厚度减少14%,高铁路基最大沉降值减少10%,路基回弹减少33%。然而将防冻层导热系数从参数1提升到参数3和参数4,则防冻效果显著衰减。因此,在路基土体防冻设计中采用一定隔热属性的材料作为防冻层即可。(5)在列车动荷载作用下,结冰和融化两种状态下残余变形没有显著的差异,这是由于结冰层厚度相对整个路基和地基深度而言很小,对残余变形的影响不大。针对高铁动荷载加载时程中的沉降峰值,低温状态下的路基沉降量比高温状态小2.5%~6.0%,这是由于在低温状态下存在1 m厚的结冰层造成路基土体刚度增大。路基土体表层结冰层会造成路基体土刚度提升,造成铁路轨道下方路基土体的应力集中。数值模拟结果显示,动应力的变化幅度不大于100kPa,符合铁路路基设计规范要求。(6)通过数值模拟重复施加列车荷载,分析获得铁路路基残余沉降,根据列车反复荷载下的累计塑性变形的计算方法,推算出累积沉降发展规律。通过以上方法,可求得累积沉降14.8mm,满足路基沉降设计规范要求,为铁路路基工程设计提供参考。