随着高速铁路和客运专线快速发展,我国无砟轨道铺设里程数已成为世界之最。经调研发现所铺设的无砟轨道在服役过程中底座板、道床板表面出现不同程度的裂缝病害,对无砟轨道耐久性产生很大影响。国内行业专家对裂缝扩展的原因进行了大量研究,但对低温环境下含裂缝水无砟轨道裂缝扩展及损伤的研究较少。本文采用比例模型试验方法进行研究,将无砟轨道道床板简化为小尺寸模型。以低温环境下含裂缝水混凝土试件为研究对象,根据断裂力学理论、材料力学理论以及混凝土强度理论,确定了裂缝在冻胀荷载作用下扩展的应变准则;利用声发射技术对裂缝尖端内外部进行冻胀损伤定位测试并与光学非接触应变测试结果进行相互验证,提出了利用裂缝尖端应变研究裂缝冻胀扩展情况和损伤情况的方法;并利用该方法对含裂缝水无砟轨道冻胀破坏机理和裂缝内冻胀力演化过程进行初探。本文所完成的主要工作如下:(1)建立了含裂缝水混凝土试件的冻胀开裂模型,推导了裂缝尖端受冻胀力作用下含裂缝水混凝土试件冻胀扩展应变准则,并通过试验验证该扩展准则可以作为判断裂缝冻胀扩展的判据。(2)利用非接触光学应变测量仪器和声发射仪器同时对含裂缝混凝土表面的应变变化和冻胀损伤情况进行监测,研究表明裂缝尖端内外部冻胀损伤分布具有一致性,混凝土裂缝表面损伤累计变化趋势与裂缝表面应变变化趋势相同;因此可以通过研究含裂缝水混凝土试件表面的应变来探究裂缝内水的冻胀对裂缝扩展的影响。(3)利用非接触应变测量方法,监测含裂缝水混凝土试件在不同冻胀阶段的裂缝应变变化情况,裂缝尖端应变是试件在降温过程中所受裂缝内水产生的冻胀力和温度力共同作用下的宏观表现,通过排除温度力对裂缝尖端应变的贡影响来研究裂缝内冻胀力的演化过程。研究表明:在降温初期裂缝内产生很小的冻胀力,当降温到一定时间后,裂缝内冻胀力突然增大,使混凝土裂缝尖端发生扩展,裂缝内冻胀力得到释放,释放后的冻胀冰压力与温度力平衡;根据裂缝尖端应变场分析在冻胀过程中冻胀力的演化过程分为萌生阶段-蕴藉阶段-骤变阶段-释放阶段-平衡阶段。(4)利用非接触应变测量方法对不同裂缝几何形态、外界环境等因素下裂缝进行冻胀监测获得裂缝尖端应变,并结合裂缝冻胀扩展应变准则分析了不同因素对裂缝冻胀扩展的影响,给出了易发生裂缝冻胀扩展的宽度范围、深度范围、初始含水率范围和外界最低温度。(5)利用非接触应变测量方法监测含裂缝水混凝土试块在冻融循环作用下,裂缝尖端应变场变化过程,用裂缝尖端应变值表征冻融损伤累积随冻融循环次数的变化关系,研究表明裂缝尖端冻融损伤随冻融循环次数呈线性增大。研究成果可为研究高速铁路裂缝内水的冻胀力萌生、演化机制提供借鉴,为研究高速铁路无砟轨道裂缝扩展过程以及冬季无砟轨道裂缝维修与防治提供试验数据参考。