随着我国铁路的快速发展,铁路线路不断向自然条件恶劣的环境延伸,在寒区正在运营和建设的铁路逐步增多。由于气候冷暖交替的变化,铁路路基会发生冻胀和融沉现象,影响着列车的行车安全。为解决路基冻害问题,相关学者进行了大量的路基防冻胀措施研究,但是由于一些工点复杂的自然气候环境和水文地质条件,例如地下水位浅、寒潮频次高、降温幅度大等,导致路基冻害整治难度大、复发率高。本文面向寒区铁路路基冻胀问题,提出一种基于地源热泵技术的路基主动供热防冻方法并设计相关装置,采用模型试验和COMSOL Multiphyscis有限元软件模拟分析的综合研究手段,研究地源热泵装置的供热性能和对铁路路基的防冻效果,同时提出路基分布式供热优化方案。主要研究内容和成果如下:（1）分析铁路路基的冻胀特征及供热需求,研发面向寒区铁路路基工程的专用地源热泵系统,设计路基专用地源热泵装置并制定供热方案。该装置包括冷凝器、蒸发器、毛细管和压缩机部件,系统采用直接膨胀式换热方式,换热器采用螺旋盘管形式。制定路基分布式供热方案,将供热段和吸热段分别植入路基冻胀层和附近地基中,收集和转化地基地热能后将其传递至路基。当面向冻峰等点状冻胀病害时,在冻胀点下方布设单套热泵系统。当面向冻阶等线状冻胀病害时,将多台装置按照一定间距均匀地分布在路基冻胀段。（2）建立路基专用地源热泵系统的稳态热力计算模型,包括压缩机、冷凝器、蒸发器及节流器4个子模型及其耦合方法,并采用Python语言编制计算程序及人机交互操作界面。算例计算结果表明路基专用地源热泵稳态计算程序能够根据不同的路基热负荷水平及现场布置方案,优化热泵系统的部件选型及参数取值。（3）按照I级电气化单线铁路的设计标准,搭建足尺的半幅路基试验平台,设计并制作1套实体地源热泵系统。采用2h:1h的启停时间比例,通过1个冬季的长时段试验,分析装置供热温度和吸热温度、路基和地基温度场、路基冻结深度的时序变化规律,并结合热泵制热系数和供热影响半径等指标,研究路基供热的防冻效果和地热利用能效性。试验结果表明,该系统日均供热温度和日均吸热温度分别为25℃以上和-10℃以下,制热系数在4.75以上。供热15天时,供热段所在横断面冻结深度能够得到有效控制。供热30天时,能够消除供热段沿线路前后1.5m范围内的土体负温冻结状态。当热泵面向路基冻胀发生后1～4天内的快速解冻与应急抢险时,布设间距建议取1.5 m～3 m。当热泵面向严寒天气来临前的冻胀预防时,布设间距建议取2.5 m～4.0 m。（4）为防止人工供热作用下路基温度场空间分布差异引起的次生轨道高低和水平不平顺现象,采用Comsol Multiphysics数值仿真模拟手段,模拟热泵供热段在不同倾角（横断面）和不同间距（纵断面）条件下路基中心和路肩位置冻结深度的差异程度。建议面向I级客货共线电气化铁路实际应用时,在面向I级电气化单线铁路路基实际应用时,保证经济合理的前提下尽量缩小热泵系统之间的间距,在热泵沿线路纵向布设间距为2 m、2.5 m和3 m工况下,当以横断面冻结深度差异值控制在0 cm为目标时,供热段分别建议设置为5.95°、5.82°和5.6°。