路基作为一种由松散土石材料构筑而成的土工结构物,因长期暴露于自然环境中,受降雨、气候以及列车荷载的反复作用,其自身的强度和稳定性也在时刻发生着变化。为了满足上部轨道结构稳定及铁路运营安全、平稳、舒适性的要求,铁路系统对作为轨道基础路基的强度、刚度、稳定性及耐久性都提出了明确的要求。火山渣,又称岩渣,是火山喷发过程中,富含气体的岩浆通过火山通道喷出后,在空中急速冷凝成固态并撞击地面碎裂而成的熔岩块,具有外观形状不规则,内部多蜂窝状连通孔隙等特点。因其特殊的形成条件,火山渣主要分布于火山与地震频发的东非、环太平洋、大洋中脊及地中海火山带。我国地处环太平洋火山带边缘,火山渣在我国吉林、海南、云南、新疆及台湾也均有大量分布。目前,我国铁路建设事业方兴未艾,规划到2035年,将初步形成“四纵四横”客运专线体系。而我国幅员辽阔,铁路线路普遍较长,当铁路线路穿越火山渣资源丰富的地区时,若能将火山渣这类具有多孔轻质特征的特殊岩土材料用于铁路路基填筑,对节省工程投资及丰富我国铁路路基填料种类都具有重要的意义。在总结已有研究成果的基础上,依托亚吉铁路埃塞俄比亚段铁路工程建设,针对铁路沿线广泛分布的火山渣特殊岩土工程材料,采用现场调研、室内试验、现场试验、理论分析相结合的方法,对火山渣填料及其颗粒物理力学性质,火山渣填料压实特性、强度与变形特性、动力特性、水稳定性、渗透特性等方面开展了深入研究,进而提出了适用于普通铁路路基火山渣原材料筛选标准,路基压实质量控制标准,路基结构结构形式和构筑方法。论文的主要研究工作及结论如下:1)火山渣填料及颗粒物理力学性质因火山渣特殊的形成方式,致使处于不同喷发时期及地点所形成的火山渣在物理力学性质方面具有显著的差异,且表现出与一般陆相、海相土石填料不同的工程力学性质。通过对埃塞俄比亚亚吉铁路sebeta～mieso段DK21+000～DK204+700沿线工程地质开展调查,选取沿线15个不同里程处共19种具有代表性的火山渣填料为研究对象,开展了火山渣颗粒及填料物理力学性质试验,结果表明:火山渣颗粒块体性与普通砾石填料颗粒差异较小,但颗粒表面更为粗糙,且颗粒粒径越小,颗粒表面越粗糙。火山渣颗粒的非闭口孔隙率较大,介于14.5%～35.1%间,表征火山渣颗粒抗压碎的能力压碎值随非闭口孔隙率的增加呈增大的变化趋势,最小值为29.1%,最大值为58.3%。击实后火山渣填料最大干密度较小,孔隙率较大,在扣除火山渣填料内部孔隙体积后的间隙率与一般砾石土孔隙率相当。洛杉矶磨耗率和压碎值是衡量颗粒抗破碎能力最主要的两个指标,考虑到铁路路基动荷载水平与碎石道床底碴以及高速铁路基床表层强化层更为接近,故建议采用洛杉矶磨耗率作为火山渣颗粒抗破碎能力的评价指标。2)火山渣及其掺配土质砾砂混合填料压实特性以DK76+000处火山渣（Z8）填料为研究对象,开展火山渣及其掺配土质砾砂混合填料现场填筑试验,有如下结论:火山渣及其掺配土质砾砂混合填料地基系数K30随土质砾砂掺入量的增加呈先增大后减小的变化规律,在体积掺配比为2:1时达到最大,为154MPa/m,满足现行铁路路基规范对基床表层填料的要求。具有良好抗破碎能力的火山渣颗粒的内部孔隙对路基填料的压实性能影响不显著,采用扣除颗粒表面开口孔隙后的间隙率相较于孔隙率作为火山渣及其掺配土质砾砂混合填料的压实指标能更为合理的反映其压实质量。雨水浸润后体积比2:1及3:1火山渣掺配土质砾混合填料的强度相较于天然含水状态,虽有35%左右的衰减,但仍能满足普通铁路对基床表层和底层填料密实度、强度及抗变形能力的要求,具有较好的水稳定性。3)火山渣掺配土质砾砂混合填料静动力特性颗粒形状不规则,内部多孔隙且孔隙具有大变异性是火山渣有别于一般砾石类填料颗粒最主要的特征。其在轨道上部结构静载、列车动载作用下抵抗破碎的能力及强度变形特性是影响其能否作为基床填料的关键问题。通过开展体积比2:1及3:1火山渣掺配土质砾砂混合填料室内静、动三轴试验,分析了火山渣颗粒在长期动载作用下的颗粒破碎程度,讨论了围压及含水率对混合填料静、动力特性的影响规律,基于累积残余应变速率的负幂率演化及幂次判别准则,获得了区分改良填料累积塑性变形处于快速稳定、缓慢稳定、缓慢破坏及快速破坏四个状态的三个阈值。结果表明:火山渣掺配土质砾砂混合填料在制样过程中均会产生较为显著的颗粒破碎,且随压实度的提高而增大,随土质砾砂掺量的增加而减小;处于压实状态条件下的火山渣掺配土质砾砂混合填料在静载及长期循环荷载作用下的相对破碎率低于3%,颗粒破碎并不显著,具有良好的抗破碎能力。动弹性模量随围压的降低及含水率的增加而减小,阻尼比则呈增大的变化规律,含水率对最大阻尼比的影响相较于围压更显著。火山渣掺配土质砾砂混合填料处于快速稳定、长期稳定及快速破坏的动应力阈值分别介于0.030～0.065、0.315～0.445和0.80～0.95倍静强度,满足普通铁路对基床结构长期动强度的要求。4)火山渣掺配土质砾砂混合填料渗透及渗透稳定特性火山渣掺配土质砾砂混合填料在雨水下渗条件下的渗透稳定性问题亦是影响其能否用作基床结构的关键问题。通过开展体积比2:1及3:1火山渣掺配土质砾砂混合填料室内及现场渗透试验,研究了压实度对混合填料渗透特性的影响规律,讨论了混合填料在雨水下渗条件下的渗透稳定性,并有以下结论:火山渣掺配土质砾砂混合填料渗透系数随压实度的提高呈减小的变化规律。体积比2:1及3:1火山渣掺配土质砾砂混合填料在80%压实度条件下属强透水土;85%、90%、93%压实度条件下属中等透水土。临界水力坡降随着压实度的增加而增大;相同压实度条件下,体积比2:1火山渣掺配土质砾砂混合填料的临界水力坡降大于体积比3:1火山渣掺配土质砾砂混合填料。雨水在体积比2:1及3:1火山渣掺配土质砾砂混合填料路基中下渗时的水力坡降值分别为1.15和1.14,小于其对应的临界水力坡降值,表明体积比2:1及3:1火山渣掺配土质砾砂混合填料路基在降雨作用下不会发生渗透破坏。5)火山渣填料路基现场动力测试及稳定性评价通过对亚吉铁路火山渣填料路基进行现场实车测试,研究了火山渣填料路基在列车动荷载作用下的动力特性,获得了不同列车运营速度下路基面动应力、动变形、振动加速度及加速度等动力学参数。结果表明:普通填料路基和火山渣填料路基的动力稳定性均满足要求,且火山渣填料路基的动力稳定性指标优于普通填料路基。火山渣填料路基面动应力、动变形、振动加速度及振动速度随列车运行速度的提高而增大;列车轴重为25t,且列车运行速度不大于100km/h条件下,火山渣填料路基面最大动应力、动变形及最大速度影响系数分别为70.079k Pa,0.255mm和0.0036（km/h）-1,满足《铁路路基设计规范》对有砟轨道铁路动应力、动变形及最大影响速度系数的要求。6)火山渣填料路基服役状态评价通过对火山渣填料及普通填料路基开展现场实车轨检试验,对比分析了由火山渣填料填筑区间与普通填料填筑区间线路状态的差异,并对由火山渣填料及普通填料填筑的路基运营后的服役状态进行综合评价,有如下结论:火山渣填料填筑区段轨道质量指数TQI频数累积曲线相较于普通填料略陡,轨道质量指数TQI均值小于普通填料填筑区间。表征线路状态恶化程度的线路状态恶化率,火山渣填料填筑区间小于普通填料填筑区间。表明由火山渣填料填筑区间的线路状态相较于普通填料填筑区间更优。火山渣填料填筑区段轨道质量单项指数高低值、水平值及三角坑值的频数累积曲线相较于普通填料略陡,高低值、水平值及三角坑值均值小于普通填料填筑区间。表征路基状态恶化程度的高低值、水平值及三角坑值恶化率,火山渣填料填筑区间小于普通填料填筑区间,表明由火山渣填料填筑区间的路基状态相较于普通填料填筑区间更优。7)火山渣填料路基基床结构设计以基床以下路堤填料处于无时间效应状态为控制标准的基床厚度确定方法;基于室内火山渣填料动态三轴试验结果,以基床结构累积残余变形处于微弱时间效应状态为控制目标,并以满足结构动强度、循环变形及长期稳定性为设计原则,开展火山渣填料路基基床结构设计技术研究,并有如下结论:基床厚度不仅与列车荷载有关,同时还取决于基床以下路基填料的性质。基床以下路堤填料的地基系数K30由70MPa/m提高到135MPa/m时,客运条件下基床厚度由3.3m减少到1.8m;货运条件下厚度由3.7m减少至2.1m。要满足基床以下路堤处于无时间效应状态对应的基床厚度,在客运条件下为2.3m,而货运条件下为2.6m。客货共线条件下,基床厚度取2.5m时,基床以下路堤填料的地基系数K30应至少大于120MPa/m。以列车荷载作用下基床填料处于微弱时间效应状态为控制目标,提出适用于客货共线铁路基床结构的技术标准及建议:基床厚度取2.6m,基床表层采用0.6m厚体积比2:1火山渣掺配土质砾砂混合填料填筑,其地基系数K30要求大于150MPa/m;基床底层采用2m厚体积比3:1、2.5:1及1.5:1火山渣掺配土质砾砂混合填料填筑,其地基系数K30要求大于120MPa/m;基床以下路堤采用体积比4:1及3.5:1火山渣掺配土质砾砂混合填料填筑,其地基系数K30要求大于110MPa/m。8)火山渣路基填筑控制关键技术通过开展火山渣及其掺配土质砾砂混合填料的现场填筑试验、动静三轴试验、室内及现场渗透试验、现场实车动力试验和线路平顺性检测,讨论了颗粒内部多孔隙性对火山渣及其混合填料压实特性、强度及变形特性、动力特性,以及水稳定性的影响规律。基于以上试验研究成果,提出适用于普通铁路路基火山渣原材料筛选标准,路基压实质量控制标准,路基结构结构形式和构筑方法,以及路基施工工艺。