重载铁路具有列车牵引质量大、轴重大及年运输量高等特点,已被国际社会公认为铁路货运发展的主要方向。为了适应我国铁路货运量逐年增长的需求,铁路的重载化已成为我国铁路货运的发展趋势。然而,我国重载铁路路基设计理念、灾害分析与防治技术却严重滞后于铁路货运系统的发展,时有路堤不均匀沉降等病害发生,严重威胁到铁路货运和相关部门的人身和财产安全。鉴于此,本文选取巴准重载铁路路基第3标段K44+522高路堤路段路基填土作为研究对象,对其进行聚丙烯纤维离散随机加筋和土壤固化剂改良处理,通过静、动三轴试验系统的研究了路基素填土和改良土在各影响因素下的静力特性、动力特性及动力稳定性,并据此提出了重载铁路基床结构设计建议,发展了适用的增量型弹塑性本构方程。各类土均考虑了固结围压的影响,此外,素填土考虑了含水率、压实度和加载频率;纤维土考虑了纤维掺加率和纤维长度;固化土考虑了固化剂掺量和养护时间。本文主要研究内容、及取得的进展详情如下:(1)采用常规静力三轴压缩试验(CTC)系统的研究了素填土和改良土的偏应力-轴向应变关系。选择初始弹性模量和极限主应力差作为模型参数,验证了具有应变硬化特征的素填土和纤维土对于邓肯-张模型的适用性;同时,选择初始弹性模量和残余强度作为模型参数,验证了Prevost应变软化模型对于固化土的适用性。分析了各类因素对模型参数的影响规律。发现了纤维土最优纤维掺加率和最优纤维长度。依据上述规律,分别建立了素填土和改良土模型参数关于各影响因素的经验模型。(2)采用分级加载动三轴试验研究了不同因素对素填土和改良土骨干曲线、动剪切模量和阻尼比的影响。以最大动剪切模量和最终应力幅值作为模型参数,验证了Hardin双曲线模型对各类土骨干曲线的适用性。提出了各类土破坏应力、最大动剪切模量、最终应力幅值和阻尼比关于多影响因素的经验模型,其中,纤维土模型特别考虑了固结围压对加筋效果的抑制作用。同时,提出了纤维土最优掺加率与固结围压之间的经验关系式。(3)采用等幅值动三轴试验研究了不同因素对素填土和改良土累积塑性应变-振动次数关系、动强度及临界动应力的影响。采用数值拟合方法提取了不同影响因素下的临界动应力,建立了素填土和改良土临界动应力关于多因素的经验模型。研究了动强度关于静强度的归一化特性,提出了归一化动强度经验模型。其中,模型参数归一化动强度临界值可作为基床设计依据,用以在已知静强度情况下确定动强度设计值。提出了一种多层强化基床结构,基床表层由固化土强化层和纤维土强化层构成,基床底层由纤维土过渡层和素填土层构成,讨论了该结构在30t轴重重载列车作用下的适用性。(4)分析了多类土本构模型的优缺点,为了描述素填土和改良土在往复循环荷载作用下可变的曼辛效应和棘轮效应,将剪切屈服面和体积屈服面构成的双屈服面模型与次加载面硬化准则相融合,发展了基于次加载面硬化准则的双屈服面本构模型,并给出了模型参数的确定方法。依照提出的本构模型,利用大型有限元分析软件ABAQUS的二次开发功能,开发了能够反映素填土和改良土可变曼辛效应和棘轮效应的VUMAT子程序CLDYNA,并将其应用于试验工况中,验证了程序对于素填土和改良土累积塑性变形预测的准确性。