高速铁路路基防水封闭结构作为防止天然降水侵入路基的外部屏障,是保证路基长期服役性能的关键措施之一。全断面铺设的基床沥青混凝土层作为一种新型防水封闭结构,对于季冻区和寒区路基冻胀、融沉等病害的控制具有显著效果,近年来在高速铁路领域受到高度重视。目前,对于基床沥青混凝土层的材料组成设计已有较为深入的研究,而对于其结构设计尚无系统完善的计算理论与设计流程。基于此,本文针对我国具有自主知识产权的CRTSIII型无砟轨道结构,选用合理的分数阶导数本构模型表征基床沥青混凝土层在全温度域内的动态粘弹特性,系统地研究了基床沥青混凝土层在列车荷载与环境温度作用下的工作状态,在此基础上明确了基床沥青混凝土层的破坏模式和结构设计验算方法,可为基床沥青混凝土层材料优化与结构设计提供依据。本文开展的主要工作和相应的研究成果如下:（1）基于分数阶微积分定义介绍了分数阶导数基本元件的力学性质,对比了传统整数阶本构模型与分数阶本构模型的差异。基于Grünwald-Letnikov分数阶导数定义推导了弹壶元件的应力数值算法,发现弹壶元件某个增量步的应力不仅与前一增量步的应变有关,还与所有的历史应变和增量步时间步长有关。在有限元软件中针对分数阶导数本构模型编制了相应的用户自定义材料子程序,并与解析解和试验结果进行了对比验证,结果表明所推导的数值计算方法是准确可靠的。（2）根据有限元仿真结果和现场实测数据利用快速Fourier变换得到无砟轨道基床表层的动应力频响曲线,发现基床表层在列车作用下的动态响应频率范围主要在0～20 Hz之间,公路规范中的动态模量试验方法可用于测试基床沥青混凝土的动态粘弹特性。依托京张高铁试验段工程利用动态模量试验研究了现场取芯样品在全温度域内的动态特性,基于最优化方法求解了频域内的复数模量粘弹性参数识别问题。各类粘弹性函数拟合结果和统计参数分析表明,分数阶导数模型的拟合结果整体优于广义Maxwell模型且所需参数更少,可以准确地反映在试验数据范围内外的粘弹性信息,更适用于描述基床沥青混凝土在全温度域内的动态粘弹特性。（3）基于优选的分数阶本构模型建立了车辆—轨道—路基耦合数值分析模型,对列车荷载作用下含基床沥青混凝土层的无砟轨道结构动力特性进行了计算和验证。动力响应时空分布特征表明,底座板结构缝处是基床沥青混凝土层动力响应的纵向最不利荷位,动力响应横向影响范围主要为底座板宽度,纵向影响范围约为10 m。在沥青混凝土层纵向应变频响曲线中,第2个峰值频率对纵向应变响应起主要控制作用,该峰值频率与列车速度近似成正比,比例系数与车辆定距有关,该峰值频率对应的动态模量可作为等效模量用于弹性模型近似计算。与传统防水结构相比,当轨道结构引入基床沥青混凝土层后,其粘弹特性带来的能量耗散效应有利于降低轨道和路基结构的整体振动水平和竖向变形,具备较强的推广应用价值。（4）基于传热学原理建立了无砟轨道结构温度效应分析模型,分析了温度场和温度效应的时空分布规律并提出了相应的预估公式。路肩与线间处基床沥青混凝土层的表面温度可用太阳辐射和气温的实时变化线性表示,底座板下方处基床沥青混凝土层的月平均温度可用月平均气温线性表示。上部轨道结构内部的负温度梯度是引起基床沥青混凝土层表面出现被动拉伸现象的主要原因,在结构缝处铺设复合土工布可以有效缓解这一现象,长度宜在结构缝两侧各设置1～2 m。（5）在基床沥青混凝土层动力响应与温度效应数值分析的基础上,将基床沥青混凝土层在服役期间可能出现的破坏模式总结为三类:低温开裂、列车荷载作用下的疲劳开裂和底座板结构缝处的被动拉伸破坏。基于半解析有限元理论建立了荷载作用下的路基面简化计算模型,在考虑交通参数、温度条件和材料参数的基础上,形成了结构设计验算流程,并开发了结构设计验算的图形化用户界面程序,可为实际工程提供设计指导。