由于寒区气候因素的特点使寒区沥青路面的设计与其它地区不同,导致不同季节冻融循环下的寒区沥青混合料结构强度演变机理也有不同,如何针对这一特点设计具有针对性的寒区沥青混合料模型,是需要解决的主要问题。本研究通过冻融循环对寒区具有代表性的三种沥青混合料（AC-16、SMA-13、SUP-16）进行处理,结合细观分析与离散元手段,找出几种受冻融因素影响较大的断面关键颗粒。同时,在寒区常用AC-16、AC-20级配的沥青混合料的基础上,对使用经验较少的SMA-13和ATB-25沥青混合料进行了研究,将幂函数模型与传统体积法结合,并调整关键筛孔通过率,得到适用于寒区沥青混合料的级配范围。通过分析冻融循环对沥青混合料的几种关键颗粒的影响,并经过离散元与灰色关联理论验证,发现4.75～9.5mm,9.5～13.2mm筛孔尺寸范围的颗粒受冻融因素影响较大,表现得不稳定。通过优化传统级配设计方法,设计出四种沥青混合料的初拟级配。在此基础上,应用正交试验法,选用三因素三水平的正交设计表,分别考虑了9.5mm筛孔尺寸通过率、4.75mm筛孔尺寸通过率、沥青用量的三个因素的三种变化水平,对试验结果进行了分析,讨论了影响沥青混合料力学性能的主要因素和次要因素,同时调整了这些筛孔的通过率,给出了经过优化的四种级配的调整范围。研究结果表明,经过级配调整后的四种沥青混合料的各项力学指标均优于原始的级配数据,并且原始级配的沥青混合料经过冻融之后沥青和集料的粘结能力及其稳定性都下降的很快,不能很好地适应寒区的气候变化。反观优化的沥青混合料在经过冻融循环之后力学指标相对稳定,水稳定性良好,并且很好的形成了骨架密实结构。