随着我国高速铁路网的日益完善,大量铁路线路修建在季节性冻土区,西北和东北地区的多条运营线路陆续出现较为严重的路基冻胀病害,引起了无砟轨道结构产生不平顺以及局部开裂的现象,在变形超限条件下将会威胁到列车的安全平稳运行,严重时需要对列车实行降速,使得线路的运营管理和养护维修提升了成本。本文针对兰新高铁冻胀较严重的门源至浩门区段展开系统的研究,首先对该区段冻害情况进行了现场踏勘和人工监测,然后通过室内试验分析了该路段土体的冻胀特性和冻胀变化规律,并确定研究路基冻胀对无砟轨道影响的冻胀条件。在此基础上利用ANSYS有限元软件分别建立了冻土路基温度场-变形场耦合模型、路基冻胀变形传递模型以及高速列车-轨道-路基系统耦合模型,紧紧围绕路基冻胀对CRTS I型双块式无砟轨道结构变形和受力两方面所受到的影响进行研究分析,研究结果为高速铁路路基冻胀的预防和整治具有重要的理论与实际意义。主要研究工作如下:(1)调查了路基冻胀较严重路段的环境特征,该地区气候、水分、土质等条件共同促进了路基冻胀产生和发展;对土样进行颗粒筛分及正交试验,分析了土体级配组成状态以及不同含水率、细颗粒含量和压实度等多重条件下对冻胀程度的影响情况;利用人工水准监测方式,统计并分析了路堤、涵洞及过渡段的总体冻胀变形情况和冻胀随时间的变化规律。(2)结合当地气象资料和现场观测数据,确定路基温度场边界条件和初始条件并建立了二维温度场模型,分析了地温分布特征以及不同时期的土体冻结深度变化规律;并通过冻胀率试验和融化压缩试验,确定不同温度下土体的线膨胀系数等力学参数,将温度场结果作为载荷施加在变形场中,分析了路基温度-变形耦合场的变形分布规律。(3)基于该路段路基冻胀变形的监测和统计,确定路基不均匀冻胀曲线特征和不同冻胀波长、冻胀峰值和冻胀位置下的计算工况,利用有限元理论方法,建立了考虑钢筋混凝土非线性的路基冻胀变形传递模型,详细分析了路基不同冻胀波长、冻胀峰值及冻胀峰值的纵向位置对双块式无砟轨道变形规律、层间离缝和结构受力特征的影响。(4)根据车辆-轨道耦合动力学原理,将物理模型简化成半车结构下的数学模型,利用参数化语言编程功能建立高速列车-轨道-路基系统耦合模型,主要考虑车体垂向振动加速度、钢轨动态位移、轮重减载率等影响运营列车安全性和舒适性的主要动力性能指标,对比分析了典型冻胀、不同冻胀波长、冻胀峰值条件下的系统动力响应情况。(5)归纳总结了现阶段季节性冻土区路基普遍采用的冻胀整治措施,结合兰新高速铁路冻胀路段特点,从地表水、表面裂缝、伸缩缝开裂、保温措施等方面提出了多种整治路基基床表层冻害的防治补强措施。