随着无砟轨道高速铁路在全世界的大量建设,对于其高速运营下结构安全性、稳定性及耐久性问题提出了更高的要求,尤其对于季节性冻土区,极低温度下路基结构的耐久性与稳定性问题在多条高速铁路中突显出来,包括哈大高速铁路在内的季节性冻土区域无砟轨道高速铁路突显出来路基冻胀与收缩开裂问题,严重影响了高速铁路运营的舒适性与安全性。随着我国高速铁路建设不断往国际市场的发展,本文结合俄罗斯莫斯科至喀山高速铁路建设工程的环境背景,提出了全断面沥青混凝土强化表层的新型基床结构。根据规划,莫斯科-喀山高速铁路全长770公里,横跨亚欧大陆,贯通俄罗斯7个联邦主体,所经区域最低气温在-48℃以下,夏季最高温度亦在20℃以上,覆盖2500万人以上,全程计划设立15个车站,最高设计时速400公里。长达半年的寒冷天气和严重的冻土问题等都是高铁项目实施过程中的障碍,常规的高速铁路路基基床结构已不能满足季节性冻土区防水损、防冻裂及耐久性的要求,因此有必要针对俄罗斯高速铁路季节性冻土区的实际情况进行专项研究,提出合适的高速铁路路基基床结构形式。沥青混凝土在防水损、防冻裂及耐久性方面均有着较为优异的表现。作为公路路面及机场道面,其结构行为以及损伤模式等研究相对较为透彻,计算及试验手段相对较为丰富。然而对于采用沥青混凝土构建新型高速铁路路基结构,一方面,其承受的荷载形式、所处的结构层位以及环境因素的影响均明显不同于传统沥青路面以及沥青机场道面;另一方面,对于高速公路沥青路面其使用年限一般在15年以内,而铁路路基结构要求达到100年以上的使用年限,对于采用沥青混凝土面层式基床结构是否能达到该使用年限的要求尚无定论,对于沥青混凝土面层式基床可能出现的各种病害和损伤模式尚无计算理论模型和工程经验。实践应用中的防冻裂、承载能力以及长期服役耐久性究竟如何尚不清楚,因此也在某种程度上限制了沥青混凝土新型结构在高速铁路建设中的推广应用。本研究旨在重点开展针对沥青混凝强化基床在荷载作用下的受力模式、防冻裂及耐久性的相关性能,并在室内开展大型动态模型试验,验证沥青混凝土全断面强化基床结构在循环荷载下的变形特性和长期稳定性,探讨其应用于高速铁路路基基床结构的一系列问题。在高速铁路无砟轨道路基整体结构中,引入沥青混凝土强化表层后,下部结构(基床表层、基床底层等)的力学特性与服役性能都有了较大改变,对于传统结构形式在受力分析和结构厚度设计中采用的方法和规范作法都会产生影响,因此本研究还将基于基床填料累积塑性变形状态对沥青混凝土基床结构进行优化设计,路基结构整体的受力分析并提出结构层厚度的设计方法。本文主要取得了如下研究成果:(1)通过有限元计算模型模拟了低温环境下基床的降温温度场,基于降温温度场模拟了基床结构的温度应力,分析了层厚、降温周期等影响沥青混凝土层温度应力的因素,提出了支承层内外沥青混凝土的设计要求和抗冻极限。(2)分析了国内外学者对于沥青混凝土疲劳极限的研究,提出了高速铁路沥青混凝土长寿命设计的层底局部最大控制应变为50με。位于季节性冻土区时,考虑冻融循环的影响,疲劳检算需满足累积疲劳损伤M_A<0.5。(3)沥青混凝土强化层能有效改善动应力在基床中的分布,基于填料累积变形时间效应状态控制法,对基床结构进行了参数优化设计,在满足规范对基床循环变要求的同时,减小了无砟轨道基床层厚,减小了工程造价。(4)基于“竖向足尺、荷载匹配、温度模拟”的原则进行了沥青混凝土强化基床结构室内大型动态模型试验,结果表明,混凝土强化层能有效的减轻循环荷载对基床结构的冲击作用,减小基床的循环变形,极大地增强了基床的变形稳定性。累积塑性变形稳定值均未超过相应温度环境下的弹性变形,表现出良好的温度适应性及抵抗永久变形能力。