寒区铁路在列车循环荷载下冻结道砟床的动力学特性

为什么冻结的道床很重要

穿越雪山和亚北极平原的铁路依靠一层看不见却至关重要的碎石层——道砟床，来承载高速列车的重量。在寒冷地区，这层碎石不仅变冷；其中的水分会结冰，形成把颗粒粘结在一起的冰体。结冰既能保护轨道免于下沉和损坏，也可能在冰体开裂时产生新的风险。本研究探讨了道砟床内不同含冰量如何改变轨道在数千次列车荷载下的运动和变形，旨在为恶劣气候下更安全、更经济的铁路运营提供依据。

轨枕下方的岩石基础

道砟床位于枕木和轨道正下方，承担分散列车荷载、阻尼振动并引导排水的功能。现代高速和大吨位运输对这层材料施加强烈的反复应力，逐渐磨损颗粒、改变轨道几何形态并提高维护成本。在冬季漫长的国家——如北欧、俄罗斯、日本、美国和中国——道砟床还会经历冻融循环。先前的现场和实验室研究已表明冰冻会导致轨道隆起或不均匀沉降。然而，对于冻结道砟在列车经过时逐粒动态行为的详细认识仍然很少。

构建虚拟冻结轨道

为了解决这一问题，研究人员将全尺度实验与先进的计算模拟相结合。他们采用离散元方法，将每块道砟石表示为可相互推挤、滚动和滑动的一组三维粒子。首先，他们在现实列车荷载（取自中国某型高速列车的标准车辆—轨道动力学模型）下重现了未冻结道砟的行为。通过将模型在1000个荷载循环内的枕木速度、加速度和沉降与实验室内实物试验轨道的测量数据相匹配，验证了模型。随后，他们通过在石块间隙中插入小的“冰粒子”并用模拟粘结连接这些冰粒以模拟冰冻，拓展了模型到低温条件。这些粘结通过对纯冰试样和在−20 °C下冷却的冰—道砟混合试验的压缩测试进行精确校准。

冰如何减少轨道下沉

借助该校准的虚拟轨道，团队模拟了含冰量从无到占空隙率30%的不同道砟床。在反复列车荷载下，未冻结的道砟持续沉降，尽管沉降速率逐渐减慢。相反，冻结道砟表现为两阶段模式：大约前50个荷载循环内出现快速初期沉降，随后进入一个在约200个循环后趋于稳定的缓慢阶段。随着含冰量增加，总沉降量显著下降。轻度冻结情况下沉降仅约0.5毫米，而高度冻结情况下沉降仅为其一小部分。与此同时，计算得到的承载刚度——道砟床对垂直位移的抵抗力——随冰量增加而上升。在约20%含冰率附近，刚度出现显著跃升，表明结构承载方式发生了重要变化。

冻结石块内部发生了什么

通过观察模拟中的道砟床，作者追踪了单个颗粒的运动、每粒的接触数以及加载过程中形成和断裂的冰粘结数。随着含冰量增加，石块与冰融合成更大的冻结簇，整体移动而非各自为阵。每粒平均接触数上升，尤其当含冰量超过约20%时，表现出从松散颗粒骨架向致密冻结网络的转变。在低含冰量时，许多冰粘结在循环中断裂，暴露出脆性且易损的结构；而在高含冰量时，形成的粘结更多且仅有一小部分失效，构成了能更有效承载荷载的稳固网络。力链图——力传递集中的路径——显示，未冻结道砟中应力通过许多弱联系分布，而在冻结道砟中应力集中于枕木正下方的强柱中。这种集中既使轨道变得更刚性，也提示了可能最终出现裂纹的部位。

在冰冻轨道中权衡安全与风险

对非专业读者而言，主要结论是：结冰可以使枕轨下的碎石床从松散的砾石堆变得更像一块实体。中等到高含冰量大幅减少了重复荷载下的沉降并提高了刚度，这有利于列车平稳运行。然而，超过一个关键阈值——约五分之一的孔隙被冰占据时——荷载会集中到狭窄的冻结柱中，长期服役下可能易发生脆性破裂。研究表明，寒区的轨道设计与养护团队应将含冰量视为可控参数，通过监测和管理道砟中的水分与结冰状况，以利用冰带来的稳定效益，同时避免隐匿的冻结损伤威胁列车安全。

引用: Liu, J., Cao, Y., Chen, A. et al. Dynamic characteristics of frozen ballast beds in cold-region railways under cyclic train loading. Sci Rep 16, 13060 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43766-4

关键词: 铁路道砟, 冻结土, 寒区铁路, 轨道沉降, 离散元模拟