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为了研究冻融环境下无砟轨道混凝土基础结构对高速列车偶然脱落冰柱的抗撞击能力,并对其安全性进行风险评估,通过一级轻气炮加载系统进行一系列冰柱高速冲击混凝土材料模拟实验获取了高速运动冰柱对混凝土基础结构冲击产生的损伤程度与范围以及其动态响应特征,为保障高速列车的行车安全提供基础数据。本文以150mm×150mm×150mm的标准混凝土试样为主要研究对象,首先设计了冰柱制备装置、加载系统、测速系统、脱靶系统、冲击力测试系统、损伤演化测试系统以及试样表面形态与硬度分析系统;开展了混凝土试样在冻融环境下以及含不同缺陷裂纹角度下准静态力学性能实验;分析了不同速度冰柱的冲击力学过程,研究了不同速度下、不同质量下冰柱对完整/缺陷混凝土试样进行动态冲击损伤演化规律与动态响应过程并对混凝土试样全场应变过程进行了探讨;获取了冰柱高速冲击混凝土试样表面形态变化以及硬度变化规律;通过有限元软件对冰柱冲击含不同角度预制裂纹混凝土试样动态过程进行模拟,主要研究内容和结论如下:（1）用预埋法自制了含不同裂纹角度的单裂纹混凝土试样,裂纹在混凝土试件中心线上,裂纹宽度2mm,长度30mm,离试样边沿15mm,裂纹与竖直方向所成角度分别为0°、30°、60°、90°。采用万能试验机对冰柱和完整/缺陷混凝土试样进行了拉/压实验,并对不同冻融循环下含预制裂纹混凝土试样进行了压缩实验,总结得到混凝土预制裂纹角度和冻融循环次数对混凝土试样的强度影响明显:无冻融环境下混凝土试样预制缺陷裂纹角度分别为0°、30°、60°、90°时,其抗压强度分别为18.32Mpa、19.56Mpa、20.21Mpa、20.27Mpa,抗拉强度分别为2.28Mpa、2.11Mpa、1.39Mpa、1.16Mpa;冻融环境比含缺陷裂纹对混凝土试样力学裂化影响更加明显:10次冻融循环下含预制缺陷裂纹角度为0°、30°、60°、90°时,其抗压强度分别下降13.3%、11.8%、18.9%、12.4%;20次冻融循环下含预制缺陷裂纹角度为0°、30°、60°、90°时,其抗压强度分别下降35.4%、36.9%、59.1%、48.4%。（2）通过一级轻气炮对冰柱进行了高速加载,获得了冰柱冲击速度与冲击压力以及冲击冲量的关系:冰柱质量为356g～377g,冲击速度48m/s～131.4m/s时,其冲击时间为4ms～1.5ms,冲击压力为20.26k N～108.05k N;冲量为5N s～45N s;且在一级轻气炮上分别开展了不同冰柱冲击速度（58.6m/s、78.1m/s、81.4m/s、106.2m/s）、不同冰柱质量（冰柱质量361.78g、340.49g模拟高铁速度288km/h与冰柱质量317.06g、326.96g、359.32g模拟高铁速度360km/h）下对完整混凝土试样进行高速冲击实验和冰柱对含不同角度裂纹混凝土试样（0°、30°、90°）高速冲击实验,总结得到了混凝土试样在上述3种情况下的损伤规律,结果表明:由于试样的尺寸有限,冰柱冲击试样产生的应力波在自由面处产生了明显的反射拉伸,应变响应时间在1ms～5ms之间,应变峰值在300～900之间,其峰值随着冰柱速度或是质量的增大而增大;加速度峰值在40000m/s~2～800000m/s~2之间,在冲击中心线上的加速度峰值远大于其余测点处加速度峰值;对冲击前后的混凝土试样进行超声波测试,得到了不同冰柱冲击速度时,试样的声速下降率为4.86%～15.30%,试样的整体损伤度为0.09～0.28,试样不同预制角度时,试样的声速下降率为15.50%～37.80%,试样的整体损伤度为0.29～0.61,不同冰柱质量冲击后,试样的声速下降率为6.38%～15.30%,试样的整体损伤度为0.12～0.28;利用DIC技术对冲击过程中试样侧面全场应变过程进行了探讨:采用DIC获取的全场应变变化趋势与应变片较为一致,但由于其受多方面因素影响其获取的应变值与应变片测得值大小还有一定的差距。（3）混凝土试样的冲击面的形貌变化是对其冲击力以及试样损伤情况的直接表征,因此本文通过三维扫描仪与硬度分析仪对试样的冲击面进行了测试,结果表明:冲击速度的变化对其冲击表面的凹陷程度直接相关,四组不同速度冲击后,其最大凹陷深度分别为0.207mm、0.276mm、、0.289mm、0.516mm、冲击接触区域硬度平均值分别增加-6.2%、7.1%、5.9%、10.3%;不同冰柱质量,相同速度梯度冲击后,其最大凹陷深度分别为0.276mm、0.199mm、0.468mm、0.620mm、0.516mm,冲击接触区域硬度平均值分别增加7.1%、-9.2%、10.4%、10.4%、10.3%;不同预制裂纹角度试样被冲击后其最大凹陷深度分别为0.330mm、0.530mm、1.990mm。（4）基于有限元软件AUTODYN对冰柱冲击含不同角度预制裂纹的混凝土试样实验进行数值反演,模型中,冰柱采用SPH方法,混凝土参数主要结合AUTODYN里材料CONC-35MPA的参数和自己实验所得混凝土试样力学参数以及查阅相关文献综合得到,计算所得混凝土试样的损伤规律与实验结果较一致,充分验证了冰柱冲击混凝土模型的可行性。