随着我国“川藏铁路”等一批西部地区铁路的兴建,红层填料的利用、红层路基沉降控制等问题,已成为亟需解决的工程问题。四川、云南、贵州等西南地区满足设计规范要求的优质(A组、B组填料)填料匮乏,而红层作为路基填料具有易风化、遇水易软化、填料密实度对含水量很敏感等特点,工程性质差,属C组填料。对铁路路基而言,路基本体及基床底层不得采用工程性质较差的红层填料,必须通过填料改良及采用特殊施工处理才能加以利用。由于红层地区铁路工程修建经验较少,采用红层填料的软土路堤的工后沉降能否满足《铁路路基设计规范》的控制标准,还没有相应的理论计算依据。因此非常有必要开展相关科学研究,以指导工程实践。论文以川藏铁路成雅段为依托工程,对红层黏土路基填料采用物理改良的方法进行了系统性研究。通过在红层黏土中掺入一定粒径配比的弱风化红层泥岩碎石,制成不同级配和含水率的改良填料,进行重型击实试验、大型直接剪切试验及无侧限抗压强度试验,获得满足铁路路基填筑要求的填料。通过现场不同配比及施工工艺的压实试验,对地基系数、孔隙率和压实系数进行了检测,并提出了现场施工压实技术方案。通过大直径动三轴试验,研究了列车循环荷载下红层黏土路基粗颗粒改良填料的累积变形、临界动应力和动强度的变化规律,提出了红层黏土路基改良填料的永久变形预估模型,并对不同高度路堤运营一年后的工后沉降进行了估算。本文主要工作及成果如下:(1)通过大量土工试验对红层黏土的矿物组成、密度、液塑限、颗粒级配、击实特性和红层泥岩的矿物组成、抗压强度、剪切强度、崩解特性等进行了深入研究,掌握了改良填料组成成分的物理力学特性,为改良填料配比设计提供了科学依据。以红层黏土和红层泥岩物理力学特性为基础,结合铁路路基填料的变形和强度要求,设计了三种改良填料配合比方案,改良填料1和改良填料2属A组填料,改良填料3属B组填料。(2)通过重型击实试验、无侧限抗压强度试验、大直剪试验对不同配比改良填料的物理力学特性进行了对比研究,确定了最优的配合比和含水率范围,通过现场压实试验对改良填料的压实性能进行了测试。结果表明:在红层原状土含水率为15%~20%且弱风化泥岩级配碎石含水率小于5%,掺入50%~60%的由5 mm~10 mm,10 mm~20mm和20 mm~40 mm三种粒径范围按1:2:1质量比混合而成级配泥岩碎石时,改良填料具有良好的强度特性和抵抗变形特性,各项指标均满足规范要求,可以作为基床以下路堤填料。(3)通过大直径动三轴试验,深入研究了列车循环荷载作用下红层黏土路基粗颗粒改良填料的累积变形、临界动应力和动强度的变化规律,结果表明:动应力、围压和含水率对填料的累积变形有着明显的影响,而动应力和含水率对累积变形的影响更为显著;临界动应力和动强度随着围压的增大而增大,而随着含水率的增加,临界动应力和动强度会先增大后减小,在最优含水率时达到最大;在最优含水率时,试样的动黏聚力为31.52 kPa,动摩擦角为32.30°,随着含水率的增加,试样的动抗剪强度指标急剧下降。(4)通过非线性最小二乘法,对比了Monismith模型和AASHTO2002模型两种模型的拟合结果,AASHTO2002模型能较好的反应累积变形与振动次数之间的关系,提出了红层黏土路基粗颗粒改良填料的永久变形预估模型,并建立了土样含水率、动剪应力比、围压、动应力和模型参数之间的相关关系。通过选取模型计算参数,对不同高度路堤运营一年后的工后沉降进行了计算,结果表明:运行1年后,2 m路堤沉降量为4.58 mm,5 m路堤沉降量为8.31 mm,10 m路堤沉降量为13.00 mm,沉降趋于稳定,均满足规范对一般地段工后沉降小于200 mm的要求,可以很好的适用于川藏铁路沿线基床以下路堤的填筑,可靠地保障列车长久安全、平稳运行。