高寒地区高速铁路对线路的平顺性有极高的要求,我国东北季节性冻土区特殊的气候特征导致了冻胀作用下高速铁路平顺性问题尤为突出。因此,开展高寒地区高速铁路路基冻胀机理与线路平顺性控制技术研究至关重要。相关研究能够为我国季节性冻土区高速铁路的修建及运营提供支撑,保证高速列车的运行安全,希望为季节性冻土理论的发展有所贡献。本论文以哈大、哈齐等高速铁路工程为背景,以微观和宏观不同角度,从研究填料的冻胀特性、冻胀机理出发,以现场调查、模型试验、现场测试、数值分析以及理论推导为手段,探明了粗粒土填料的冻胀特性。在此基础上,以寒区铁路路基-轨道结构体系为研究对象,揭示了冻胀对线路的影响,建立了路基冻胀的控制标准,提出了高速铁路路基粗粒土填料冻胀改性方法,并对哈齐客运专线防冻胀水泥稳定碎石基床应用效果进行了评估。本文主要研究工作和创新成果如下:(1)揭示了高寒地区高速铁路路基填料冻胀机理。由于目前尚未系统的对粗粒土填料内在的冻胀机理进行研究,因此本文基于X-CT扫描及图像重构技术,对微冻胀填料结构状态与水分分布特征进行了分析,通过开展试验模型,研究了粗粒土冻胀的水热特征,并分析得到相应规律。细颗粒含量对冻胀量的贡献作用要大于含水量对冻胀的作用,且含水量的增加对冻胀的贡献依靠细颗粒的含量。(2)提出了高速铁路路基冻胀变形传递规律。基于路基冻胀-CRTSⅢ型板式无砟轨道结构-轨道几何不平顺传递耦合分析模型,对冻胀时空分布曲线进行了预测,揭示了冻胀对无砟轨道各层平顺性及轨面不平顺的影响规律,评估了路基冻胀对行车安全、舒适性和线路运营可靠性的影响规律。并得出冻胀的波幅比(波长/幅值)增大时,轨道结构与路基变形趋于一致;波长一定时,冻胀对轨道板及底座板受力影响程度基本呈线性增长趋势。(3)建立了基于静、动态分析的路基冻胀控制标准。由于轨道的静、动态不平顺受不均匀路基冻胀局部变形影响显著,因此基于冻胀对结构及行车的影响,将冻胀程度通过两条临界曲线划分呈3个区域,冻胀程度位于区域I时,可通过《高速铁路轨道几何状态验收管理标准》中的幅值允许偏差对轨道不平顺进行控制,冻胀程度达到区域Ⅱ时需着重检查冻胀位置处板下离缝并做小范围修补,区域Ⅲ内冻胀需立即采取措施保证线路安全。(4)提出了高速铁路基粗粒土填料冻胀改性方法。由于仅依靠扣件自身的调整量可能无法满足冻胀的控制要求,因此在应对冻胀变形问题时,需要研究路基基床自身防冻胀特性。本文研究了颗粒级配、水泥掺量对级配碎石冻胀性能、无侧限抗压强度和渗透系数的影响规律,得出当水泥掺量为3%时,试样的冻胀率显著下降,相较未改性填料,改性粗粒土填料冻胀率降低为原来的五分之一。当水泥掺量达到5%时能明显提高材料的抗冻胀性能。并提出级配建议:无渗水性基床要求填料选用3%细粒土含量、3%水泥掺量的级配碎石;有渗水性要求的,宜去除0.5mm以下颗粒、选用3%～5%水泥掺量的级配碎石。(5)评估了防冻胀水泥稳定碎石基床的服役特性。由于改性后的水泥稳定级配碎石基床在实际工程的防冻胀效果还有待进一步评估,因此本文基于静态路基变形冻胀监测和动检车动态检测相结合的方式,对防冻胀水泥稳定碎石基床防冻胀特性进行评估,并对特殊冻胀地段应急处理措施进行了说明。评估结果表明,采用防冻胀水泥稳定碎石基床能够有效抑制冻胀,能够满足不均匀冻胀控制标准要求。