针对已运营高速公路路基路面结构出现的病害问题,论文结合湖南省交通科技项目“高速公路路基沉降及其对路面的影响”研究课题,以典型红砂岩地区高速公路红砂岩粗粒土路基填料的长期变形和交通荷载作用下路基路面结构的动力响应等难点和热点问题(如土石混填路基的沉降预测、路基的长期沉降变形、交通动荷载的描述和确定、动荷载的激励特性、典型支承条件下的路基路面结构动态响应)为研究对象,采用理论分析、室内试验、现场试验和数值计算等方法进行了深入研究。主要研究内容如下：1.对湖南省境内已运营高速公路的病害情况进行了大量的、深入细致的调研工作,其中重点调查了临长、潭耒、耒宜三条高速公路,并仔细查阅了设计文件和施工原始记录资料。调查研究表明红砂岩粗粒土路基路面结构病害的产生与运营时间及交通量密切相关,路基路面病害的产生有两个主要原因,一是交通动荷载长期反复的作用,二是红砂岩粗粒土路基填料在荷载长期作用下的流变变形。2.由流变引发的路基沉降特别是不均匀沉降的准确预测是防止路基病害发生的有效手段,而实测的沉降值则是各种影响因素综合作用下的真实值,故利用沉降实测数据来推算路基的沉降量具有很重要的意义。在对多种沉降预测方法比照的基础上,重点分析了灰色GM(1,1)模型和神经网络法。3.引入考虑流变作用的Burgers流变模型,采用FLAC计算程序,对土石混填路基的长期沉降进行了预测计算,并通过与实测资料的对比验证了模型的合理性。4.针对交通荷载作用引起的路基路面结构病害问题,从使车辆产生随机振动的激励-路面不平度入手,利用频域分析法对路面的输入谱矩阵进行了推导,总结了高速公路路面不平度PSD的特点和规律。在此基础上,分析与评价了各种车辆振动模型,并采用传递函数矩阵法,通过Fourier积分变换和Laplace积分变换,推导了多层粘弹性体系在移动简谐冲击荷载作用下动力方程的解析解。5.针对车辆随机荷载确定及测试难题,选择典型土石混填路基试验段,成功地进行了现场车辆随机载荷的试验。试验揭示了不同载重、不同车速、不同行车路线条件下车辆动态荷载的激励特性、作用规律及其影响因素,阐明了路面结构特性与荷载激励之间的耦合关系。6.利用施工期埋设于路基及基层中的动力测试元件,在现场成功地进行了车辆随机荷载作用下路基路面结构动态响应的试验研究,考察了车辆载重、车速、车道因素对路基路面的动态响应规律的影响,分析了动态响应的频谱特性和功率谱特性,并与路面不平度激励特性进行了比照,研究表明路面激励、车辆振动、荷载输入、路基路面动态响应具有相互依存的因果关系。(7)通过建立柔性路面的三维有限元数值仿真,分析了土石混填路基条件下路面结构在车辆动态荷载作用下的动态响应,并进行了数值解与实测值的对比研究。