近年来我国高速铁路事业迅猛发展,尤其十八大以来,以“四纵四横”为主骨架的高速铁路建设正加快推进,我国正逐渐形成世界上规模最大以及运营速度最快的高速铁路网。越来越多的高铁线路将途经冻土广泛分布的严寒地区,这些地区冬季温度极低,冻胀问题非常严重,极易造成路基变形,引起轨道不平顺,从而严重影响高铁运行的安全性。路基是高铁线路产生冻胀变形的主要来源,因此研究高铁路基材料水泥稳定级配碎石的冻胀性能及防冻胀措施具有重要的意义。本文研究以哈大、哈齐高铁的建设为研究背景,以严寒地区高铁路基用水泥稳定级配碎石为研究对象,开展了材料组成设计、性能优化和机理研究等方面的工作。首先以宏观力学性能为指标、结合颗粒级配理论对基床表层碎石的级配作了科学的设计和试验验证;其次,采用超声波原位监测、光纤布拉格光栅(FBG)、X射线三维重构(X-CT)等技术方法,研究了水泥稳定级配碎石的力学性能、收缩性能、抗冻性能及其影响规律;最后,建立了以超声波衰减为指标的水泥稳定级配碎石耐久性评估方法和寿命预测模型。基于试验和理论研究得到的主要结论如下:(1)基于CBR试验与理论计算结合的方法,对路基材料进行级配组成设计。粗集料(>4.75 mm)级配通过CBR试验逐级填充的方法确定,细集料(<4.75 mm)级配采用最大密度曲线理论计算得到。该设计级配划分了渗透性和非渗透性级配碎石的级配区间,通过数值模拟的方法验证了设计级配的骨架密实结构,获得了骨架良好、密实度高的级配组成。(2)基于超声波原位监测试验,研究了水泥稳定级配碎石早期微结构演变规律,其早期微结构发展分为三个阶段——诱导期、加速期、减速期。水泥掺量、水灰比、养护温度、碎石级配等均会影响水泥稳定级配碎石微结构的形成和发展,在施工和养护过程中,控制较低的水灰比、较高养护温度、良好的材料组成均有利于材料密实微结构的形成和发展,提高路基材料的工作性及稳定性。(3)对比粉煤灰在级配碎石中超声波发展规律,探究了水泥在路基级配碎石中的作用机理。前期主要表现为填充效应,后期主要表现为胶结效应,水泥水化产物产生胶结作用的同时也填充在级配碎石空隙之间。高铁路基用水泥稳定级配碎石结构的形成和发展,是水泥的填充效应和胶结效应相互联系、共同作用的结果。(4)水泥的掺入能够明显提高路基材料的强度、降低孔隙率、提高抗冻胀性能,但干燥收缩也随之增大,从而影响路基的体积稳定性。水泥掺量5%时,抗压强度约10 MPa,完全满足路基材料对强度的要求。掺入质量分数5%的水泥,路基材料冻胀率小于0.1%,防冻胀效果非常明显。综合考虑材料的力学性能、干燥收缩、抗冻胀性以及经济实用性等方面,提出严寒地区高铁路基级配碎石中水泥掺量5%为宜,科学指导了工程应用。(5)基于光纤光栅原位冻胀监测,研究了水泥稳定级配碎石冻胀过程及影响因素。水泥掺量、含水率等因素对材料的抗冻胀性能影响较大,控制较低的含水率有利于提高基床表层材料的耐久性。采用X-CT三维重构的方法,从微观角度分析了水泥提高路基材料抗冻性能的机理,揭示了路基产生宏观冻胀的原因。(6)基于冻融循环试验对水泥稳定级配碎石进行了耐久性研究,建立了水泥稳定级配碎石冻融耐久性评估及寿命预测模型。采用超声波无损检测的方法,依据冻融前后超声波衰减规律,建立路基材料超声波速损失与冻融循环次数的定量关系,并对经验模型进行了修正和验证,提高了预测模型的准确度。