水泥稳定碎石基层材料是目前路面领域应用最广泛的基层材料,其受到的复杂荷载作用及冻融循环作用是诱发路面发生破坏的主要原因。考虑冻融作用的多变性、荷载作用的复杂性,工程上,由于水泥稳定碎石基层冻融损伤直接或间接诱发的沥青路面损害仍频繁发生。究其原因是研究过程中未充分考虑水泥稳定碎石基层材料的冻融、动态车载耦合作用,从而无法全面、客观分析水泥稳定碎石基层材料冻融损伤机理,无法准确评价其损伤特性,更难以精确预估其疲劳寿命。基于此,本文充分考虑荷载-冻融作用,对水泥稳定碎石基层材料的损伤特性、细微观冻融损伤机理、冻融损伤寿命等进行系统的研究,建立荷载-冻融作用下水泥稳定碎石基层材料冻融损伤评价方法及评价标准,最终提出水泥稳定碎石基层材料冻融损伤寿命的预估方程,从而为科学合理地评价水泥稳定碎石基层材料的抗冻融损伤特性提供依据。基于前人研究成果,合理设计了水泥稳定碎石基层材料室内冻融评价试验方案。选取无侧限抗压强度、弯拉强度、动态抗压回弹模量等作为评价指标,探究了水泥稳定碎石基层材料抗压性能、抗弯拉性能、疲劳性能等随冻融循环作用次数、水泥掺量、乳化沥青加入等因素变化的变化规律,并建立了不同冻融循环次数作用下水泥稳定碎石基层材料的疲劳方程。结果表明:随冻融循环次数的增加,水泥稳定碎石基层材料的抗压强度、动态抗压回弹模量、弯拉强度逐步衰减,前期衰减相对较快,经15次冻融循环后衰减基本趋于稳定,依此,提出采用15次冻融循环动态抗压回弹模量损失率评价水泥稳定碎石基层材料的抗冻性能;水泥掺量为5.0%,乳化沥青掺量为总固体质量2.5%的水泥乳化沥青稳定碎石在冻融循环作用下的力学性能及抗冻性能较好;同时水泥稳定碎石材料剩余疲劳寿命百分率随损伤度增加而减小,表现为前期下降速度较快,后期下降速度趋于平稳。针对水泥稳定碎石基层材料冻融损伤细微观机理,采用X-ray工业CT对水泥稳定碎石基层材料在冻融循环作用下的细观结构进行了研究,分析了基层材料空隙率、孔洞面积、孔洞数以及平均孔洞直径随不同冻融循环条件的变化规律;采用MIP和SEM微观分析手段,从微观结构出发,研究了不同组成水泥稳定碎石基层材料的冻融损伤机理。结果表明:水泥稳定碎石基层材料细观空隙率随冻融循环次数增加而增大,试件冻融损伤主要集中在边缘和原生空隙部位,冻融后空隙扩展形成裂缝,产生损伤。冻融循环影响胶凝材料水化后微纳米孔结构分布,主要体现在大于200nm的有害孔区域。MIP和SEM的观测结果表明,高水泥掺量能有效降低冻融循环所引起的结构中有害孔的含量及增长率,乳化沥青能有效改善水泥稳定碎石材料的抗冻性。冻胀应力及溶蚀作用导致水泥石结构及组成发生变化,产生损伤;通过调节空隙结构、胶凝材料及乳化沥青提高水泥稳定碎石基层材料抗冻性。基于ABAQUS有限元平台,建立了小尺寸路面结构力学行为分析模型,对水泥稳定碎石基层材料在荷载-冻融作用下的力学行为进行了分析;基于COMSOL多物理场仿真软件,应用Manson-Coffin理论模型,建立了水泥稳定碎石基层材料残余寿命预估的多元Weibull分布模型,模拟、预估了小尺寸路面结构的疲劳寿命。研究结果表明:结构简支条件对结构力学行为影响最大,橡胶层的厚度、模量等对水泥稳定碎石基层的力学响应影响显著;在标准轴载作用下,沥青面层不易产生疲劳,而水泥稳定碎石基层更易产生疲劳破坏;超载作用下水泥稳定碎石基层在荷载-冻融作用下更容易诱发疲劳,是造成路面结构性能快速下降的重要原因。基于南非三分之一比例尺的行车荷载模拟系统MMLS3,设计了适用于水泥稳定碎石基层模拟结构的全控式荷载-冻融试验系统;基于该试验系统,实测了荷载-冻融作用下小尺寸路面结构的力学响应,分析了荷载-冻融作用对小尺寸路面结构力学响应行为的影响,提出了水泥稳定碎石基层的荷载-冻融损伤评价方法。结果表明:建立的全控式荷载-冻融试验系统具有全套路面结构信息采集系统及温控系统,能较精确的模拟路面结构的冻融循环过程、更合理地评价荷载-冻融作用下水泥稳定碎石基层的力学行为及损伤特性。最后,基于小尺寸路面结构加速加载试验结果,对现行规范中推荐的水泥稳定碎石基层疲劳寿命预估方程进行了优化调整,建立了水泥稳定碎石基层材料/结构性能损伤与冻融次数的相关关系,考虑层底拉应变指标,构建荷载-冻融作用损伤因子,引入疲劳方程中,最终推导并建立了水泥稳定碎石基层结构冻融损伤的寿命预估方程,为指导水泥稳定碎石基层材料的工程应用提供理论依据。