随着我国高速铁路网的不断延伸,运营环境日趋复杂,比如东北的高寒冻土区、西北的大风区、西南的高原高地震区以及华北的软土地区等。严寒地区受低温冻胀影响,产生桥梁基础冻胀变形,影响高速行车安全。本文以我国严寒地区设计运营的第一条高速铁路―哈大高铁为背景,研究各冻结条件下土体冻胀变形与基础结构冻胀力以及冻胀变形发展机制,阐明车辆各项动力特性指标随冻结条件与车速的变化规律,提出桥梁基础冻胀变形安全阈值。主要研究内容及结论如下:(1)以高铁沿线广泛分布的粉质黏土为研究对象,在分析冻土参数的基础上,建立多场耦合冻土有限元模型,研究低温冻结过程中相变潜热对冻胀指标的影响以及冻土的出现、发展和演变规律。分析结果显示:在土体冻结过程中,相变潜热是不可忽略的一个重要因素;冻结时长内,土体冻结发展过程可分为三个阶段:温度急剧下降阶段、温度降幅逐渐减小阶段、和趋于平稳阶段;含水率越大,第一阶段持续时间越长。(2)依据土质与冻结条件,建立考虑冻结过程中存在未冻水的桥梁基础冻胀有限元模型。参考哈大高铁沿线实际运营环境,以土体含水率和冻结温度为控制变量,量化土体和桥梁基础结构冻胀变形发展规律。通过参数分析,阐明含水率和冻结温度对冻胀变形和冻胀力的影响。分析结果显示:土体及桥梁基础结构冻胀变形主要出现在竖向;土体受低温荷载作用有限;冻胀变形出现在距地表深度较浅的局部范围内;受桥梁基础结构的影响,靠近基础结构的土体冻胀变形量小于远离基础端;冻土温度随埋深变化呈“指数”分布,承台板对下卧土体具有一定的保温作用,相同埋深处承台底下卧土体温度要高于非承台底部分;承台底板的法向冻胀应力关于承台中线呈对称分布,且应力沿承台横向呈“W”形分布,承台边缘与中部桩基孔处法向冻胀应力较大;温度和含水率作为影响冻胀的两个重要因素,均对土体的冻胀过程产生了明显的影响。冻结深度、土体及桥梁基础结构冻胀变形均随冻结温度呈现出正相关变化,温度越低,冻结深度以及模型整体的变形量越大;受相变潜热的影响,冻结深度随含水率呈现出一定的负相关性;冻结深度未超过承台底埋深时,基础结构冻胀变形量随含水率增大而逐渐增加,但增幅较小,冻结深度超过承台底埋深后,在基底法向冻胀力作用下基础结构冻胀量出现激增。(3)以ANSYS与SIMPACK联合仿真的方法建立高速列车-桥梁耦合振动模型,计算并分析桥梁基础冻胀各工况下列车通过冻胀变形区域时的动力响应,探究车辆各项动力特性指标随冻结条件(冻结温度与含水率)以及车速的变化规律。依据车辆动力特性指标限值(车体竖向加速度),提出桥梁基础结构冻胀安全阈值。分析结果表明:列车动力响应指标中车体竖向加速度对桥梁基础结构冻胀引起的上抬变形较为敏感,响应在基础冻胀区域有明显增长,峰值大多出现在轨面“折角”变形区域;土体冻结温度变化对基础冻胀引起的车体竖向加速度影响作用较为明确,随地表冻结温度降低,列车通过冻胀变形区域时,车体竖向加速度逐渐增大;冻结深度未超过基底埋深时,相同的冻结温度条件下,含水率越大,列车通过变形区域时的车体竖向加速度越大,但加速度幅值随冻土含水率增幅较小;当冻结深度足够大时,桥梁基础结构在下卧冻土法向冻胀力作用下出现较大冻胀变形,致使车体过桥时竖向加速度出现激增;车体横、竖向加速度均随车速的增加逐渐增大,且车体的竖向加速度随桥墩上抬量的增加而逐渐增大;轮重减载率、脱轨系数与桥墩上抬量及车速改变呈正相关变化,轮对横向水平力随车速的增加而增大,但随桥墩上抬量的变化规律并不明显。基于车体竖向加速度指标限值确定的桥梁基础冻胀变形阈值为14.4 mm。