铁路路基质量状态关系到列车运行安全,影响路基质量状态的主要因素是路基含水率,路基含水率既是路基质量状态的重要指标,也是路基检测和评价的重点和难点,因此,建立一种快速、高效的路基含水状态检测评价进而对路基状态进行评价的方法是十分必要的。探地雷达具有高效、快速、准确和无损等优点,符合铁路运营发展的要求。同时,路基含水状态的变化会引起路基填料的介电性质变化,从而导致探地雷达的波形、振幅、能量、频率以及传播时间等属性变化。提取雷达信号中路基填料的介电常数和相关的雷达属性,建立路基填料的介电性质与含水状态、雷达属性和介电性质或含水状态之间的对应关系,以及建立相应的评价方法,是实现探地雷达评价铁路路基含水状态问题的核心和关键。论文采用理论分析、科学试验、数值模拟、模型试验和现场验证等方法,运用电磁学、波动学、数字信号处理、统计学、属性分析以及模式识别等理论知识,系统的研究了铁路路基填料的介电性质与填料的含水率、压实度之间关系；填料的介电性质与探地雷达时域属性的关系,路基含水状态与雷达波能量、频率,峰值频率等频域属性的关系；雷达波属性提取以及路基含水状态分类识别等问题。确立了铁路路基填料介电性质与含水状态的函数关系,建立了不同铁路路基填料的介电常数模型；推导出探地雷达时域波形特征与铁路路基填料介电性质的函数关系；揭示了路基含水状态与雷达波能量、有限带宽能量百分比等频域属性之间的量化关系；提出时域、频域等相关的雷达波属性提取方法,根据提取的雷达波属性建立了铁路路基含水状态分类识别和评价模型。实现了铁路路基含水状态检测和评价目的,进而间接的评价铁路路基的质量状态。为工务管理部门养护维修提供合理的依据,对保障列车运营安全具有重要的的指导意义。本论文主要研究成果如下：1.通过对几种常用铁路路基填料室内介电性质的试验,确立了路基填料的介电常数、电导率与路基填料的体积含水率之间的函数关系,建立了适用于铁路路基填料的介电常数模型,具体如下：(1)介电常数和电导率随介质的体积含水率增大而增大,体积含水率与介电常数与和电导率均为三次函数关系。(2)路基填料的介电常数对体积含水率敏感,对压实系数不敏感。(3)根据最小方差原理和多元线性回归方程,确立了几种铁路路基填料最佳介电常数模型：改良土和黄土介电常数模型：εr2/3 =θmεm2/3 +θwεw2/3 + θaεa2/3粉土介电常数模型：εr1/1.3=θmεm1/1.3+θwεw1/1.3+θaεa1/1.32. 采用时域有限差分技术(FDTD)对不同介电性质的铁路路基模型进行数值分析,揭示了雷达波对介电性质的响应特征,推导出雷达波时域特征与路基填料的介电性质相之间的互关系；建立了探地雷达反射波振幅与路基填料的介电性质和传播距离的函数模型。(1)雷达波对介电常数响应1)雷达波在介质中传播的时间与介质的介电常数平方根成正比；2)反射波振幅是填料介电常数的三次函数,其关系式为：y1=0.0154 εr3-1.1645 εr2 + 30.2630 εr + 140.02363)直接耦合波振幅与介电常数的对数呈线性负相关,其关系式为：A=-595.4lnεr + 2715.34)引进振幅衰减的概念,即20倍的反射振幅与直接耦合波振幅比值的对数；振幅的衰减是介电常数的对数函数,其关系式为：y=-6.6755lnεr + 27.2685(2)雷达波对电导率变化的响应。电导率与反射波振幅为负指数相关,与反射波振幅的衰减为线性正相关关系。(3)根据雷达波对路基填料的介电常数、电导率和传播距离的响应,推导出雷达反射波振幅与介质的介电常数、电导率和传播距离的近似方程为：3. 通过铁路路基含水状态的模型试验揭示了直接耦合波、反射波,雷达波能量、百兆带宽能量百分比等参数与路基含水状态的关系：(1)直接耦合波振幅随体积含水率的增加而减小,二者为负指数相关；反射波振幅随体积含水率增大而减小,二者为非线性相关关系；直接耦合波与反射波振幅的比是体积含水率的一次函数。(2)雷达波总能量随的体积含水率增大而减小,二者为负指数相关,表达式为：E =11482ω-1.302。(3)随着体积含水率的增加,雷达波的峰值频率有向低频移动的趋势。(4)通过提取100MHz带宽的能量百分比,分析100MHz带宽能量百分比与体积含水率之间的关系,结果表明体积含水率与部分百兆带宽能量百分比具有的较高的相关性：1)对于单层模型,200-300MHz、300-400MHz和400-500MHz频带范围的能量百分比随体积含水率变化较为显著,且与体积含水率均为线性相关。2)对于多层模型,0-100MHz和300-400MHz频带范围的能量百分比随模型体积含水率的变化较为显著,与体积含水率均为线性相关。3)以300MHz为分界点,单层模型0-300MHz频带范围的能量百分比随体积含水率增加而降低,大于300MHz范围的能量百分比随体积含水率增加而增加；对于多层模型,0-300MHz频带范围的能量百分比随体积含水率增加而增加,大于300MHz范围的能量百分比随体积含水率增加而降低。因此300MHz可作为路基含水状态的优势频率。(5)提出雷达波能量、直接耦合波振幅、反射波振幅、反射波与直接耦合波振幅比值(衰减)、频带能量百分比以及峰值频率等参数可作为评价路基含水状态的探地雷达属性。4.在借鉴地震属性理论基础上,阐明了探地雷达属性性质、功能,提出探地雷达属性的分类和提取方法。在时域分析方法中提取最大峰值振幅、最大谷值振幅、平均峰值振幅、平均能量、直接耦合波振幅、反射波振幅、振幅衰减、均方差振幅以及振幅峰态等19种雷达属性,在频域分析方法中,重点讨论功率谱的估计方法,提取峰值频率、宽频带总能量,主频带能量、主频带能量百分比、指定频率能量、低频带能量以及主频系列等13个频域雷达属性,用来评价铁路路基含水状态。5.在铁路路基含水状态分类识别的方法上,提出以探地雷达属性作为输入的BP神经网络分类识别方法。从模型试验中分别选取4类含水状态的数据各100组,其中80组对神经网络训练,20组进行测试,测试结果正确率均在90%以上,满足铁路路基含水状态评价的要求。并应用训练稳定的网络对山西省中南部通道重载试验段的200组数据进行测试和验证,测试结果和现场实际情况基本吻合。应用深地雷达属性和BP神经网络对铁路路基含水状态的检测和评价是可行的。