随着季节性冻土地区高速铁路的陆续修建和开通运营,路基的稳定性问题日益突出,亟需研究冻融循环和列车荷载作用下路基的稳定性及发展趋势,从而为保证季冻区高速铁路的安全运营提供依据。本文依托铁道部科技研究开发计划项目(2008G006)和国家科技支撑计划课题(2012BAG05B01),以哈大高铁深季节性冻土地区的路基为研究对象,在充分借鉴和吸取前人研究成果的基础上,以现场监测、经验方法、理论分析和数值模拟为手段,分析了路基的地温分布规律,研究了冻融循环和列车荷载作用下路基的地温场、应力场和变形场的发展趋势。研究结果有利于深入了解深季节性冻土地区高速铁路路基稳定性的发展变化,并为改进季节性冻土地区高速铁路路基的设计和冻害整治措施提供了参考。本文主要取得了以下六个方面的研究成果：(1)通过分析季节性冻土地区高速铁路路基的设计特点及工作特性,确定了路基稳定性的监测指标,制定了监测方案进行了实地监测,依据实测数据研究了路基的地温、含水量及变形等的变化规律。分析表明：季冻区高铁路基土体中温度梯度的存在改变了水分的原有状态,引起了水分的迁移变化,土体力学性质发生了改变,进而使得路基产生了冻胀融沉变形。(2)考虑平均地温、地温振幅、相位差异及土的热学性质等随时空的变化,基于地温实测资料建立了路基地温的估算模型,在此基础上详尽分析了各路基断面的冻深发展、横向地温差异及冻结条件等地温分布规律。分析表明：路基横向不同位置地温分布普遍存在差异;路基的冻结条件主要受外界气温和路基上覆盖层等的影响;季节性冻土地区高速铁路路基地温主要受到所在地理位置和路基高度的影响。(3)分析了国内外冻土地区路基设计冻深的确定方法,表明目前的设计冻深计算原则不适应季节性冻土地区高速铁路路基防冻胀设计的需要。因此,在地温估算模型的基础上,统计分析得到了路基冻深与空气冻结指数、路基面冻结指数的经验公式,并通过经验公式中的参数和影响系数考虑冻深的主要影响因素,从而提出了适用于季节性冻土地区高速铁路无砟轨道路基设计冻深的计算方法。(4)基于地温的估算模型确定边界条件,建立了非稳态相变温度场的数学模型,研究了路基地温随时间的变化特点和沿深度的分布规律,预测了地温场的变化趋势。数值模拟结果表明,填筑过程中的蓄热在施工完成后逐渐消散,深度越深,消散需时越长,过程越明显。在路基蓄热影响范围以外,土体地温相对比较稳定。路基最终形成较为稳定的季节冻结层、相对稳定的地温和形态不对称的地温场。(5)结合数值模型的实际约束情况,考虑冰水相变的作用,采用热弹性力学理论推导出了冻土路基应力和变形的二维数值方程,建立了路基力学有限元模型,实现了路基温度场和变形场的耦合连续计算。考虑路基填土的不同冻胀率,研究了路基冻融过程中的变形和应力分布规律。计算结果表明：随着冻胀率的增大和冻深的发展,路基竖向位移、横向差异变形、横向位移及拉应力等随之增加。路肩和边坡处可能在冻融过程中出现拉破坏而导致裂缝。进一步的讨论分析表明：路基中水分重分布引起的土体冻胀率、融沉压缩系数等的变化是影响路基变形稳定性的主要原因。(6)采用热力间接耦合的方法,根据哈大高铁路基的实际运营情况,对比分析了不同季节单列和双列列车荷载作用下铁路路基的位移、速度、加速度及动应力等动力响应特点,预测和评价了路基的长期动力稳定性。计算结果表明,列车通过时,路基的竖向位移、速度、加速度和动应力等随之发生快速的变化；由于路基阴阳坡热状况的差异,冬季东侧路基处动力响应略大于西侧路基；路基的最大弹性变形,最大动应力及附加沉降等路基长期动力稳定性指标满足规范要求。