泥岩作为软岩在我国分布极为广泛,我国高铁运营里程的不断增加不可避免的要跨越泥岩地区,目前对泥岩吸水膨胀引起的危害性认识不足,出现了大量由于泥岩吸水膨胀引起的路基上拱病害问题,给高铁运营带来了极大的挑战。主要原因是膨胀影响因素不明确以及缺乏行之有效的试验手段、评价方法。因此,对泥岩膨胀机制及其发展规律的研究不论是对设计、施工还是既有线的运营都有着极其重要的理论与现实意义。本文针对引起高速铁路路基上拱变形的泥岩膨胀问题进行研究,开展了室内试验研究了泥岩的膨胀特性;通过研制的泥岩膨胀体变测量仪,研究了泥岩不同应力条件下的吸水膨胀规律;通过泥岩岩块与泥岩粉末的膨胀试验和扫描电镜试验揭示了考虑泥岩结构强度的吸水膨胀机理;分析了泥岩吸水膨胀过程中的能量转换问题,提出了考虑泥岩结构强度的膨胀模型;结合提出的考虑水分作用的泥岩地基路基上拱变形计算方法,分析了泥岩地基路基上拱变形特征。主要取得了以下研究成果:(1)获得了泥岩在不同应力约束条件下的膨胀变形规律,并提出修正膨胀模型。泥岩吸水产生的膨胀体变与其吸收的水分呈线性关系;围压与膨胀体变峰值之间存在明显的对数函数关系;引入自由膨胀率的修正Huder-Amberg膨胀模型能准确描述泥岩不同应力约束条件下体积膨胀变化规律。(2)明确了泥岩吸水膨胀的能量转化过程。泥岩吸水膨胀过程是一个能量释放过程,所释放的能量一部分用于破坏其内部结构,另一部分用于对外做功产生膨胀;基于能量原理,建立了考虑泥岩结构强度的膨胀判别模型,泥岩粉末膨胀产生的潜在膨胀应变能等于泥岩岩块膨胀产生的膨胀应变能与其结构应变能之和。(3)提出了同时考虑粉末膨胀和岩块强度的泥岩膨胀试验与评价方法。对于泥岩岩块的膨胀判定,应同时进行单轴抗压强度试验、岩块粉末浸水膨胀试验,通过其结构强度应变能、粉末膨胀势能对泥岩岩块的膨胀性进行判定;当粉末膨胀势能大于结构强度应变能时,岩块就会表现为膨胀。(4)提出了考虑水分作用的泥岩路基上拱变形计算方法,获得了泥岩地基路基上拱变形特征以及水分分布特征。水分在路基面以下呈条带状分布且平行于路基面;泥岩地基的膨胀变形沿深度方向逐渐变小,与深度呈对数关系;膨胀变形与路基面含水率以及渗透深度呈线性关系。