铁路货物运输的重载化已成为当今世界铁路发展趋势。重载铁路因其具有效益好、运量大、效率高、能耗低等优势得到迅猛发展。我国属于大陆性季风气候，大部分国土面积处于四季分明的季节性冻土区。季冻区重载铁路路基经历反复的冻融循环作用，劣化铁路路基填料的工程性质，并可能引起路基变形过大或强度失稳。目前，针对冻融循环条件下路基细粒填料的研究已做了较多工作。对于用于填筑重载铁路路基基床的粗粒填料工程性能尚缺乏研究，特别是冻融循环对粗粒填料力学性质的影响研究鲜有报道。基于此，本文系统研究了冻融循环条件下铁路工程路基A组填料的强度特征与变形规律，据此建立了路基填料的非线性本构模型，预测了季冻区重载铁路路基变形特性。本文主要研究内容如下：首先，针对铁路路基A组填料，完成了冻融循环条件下路基填料力学性能的静三轴试验。首先，对比了冻结填料与未冻填料，研究了冻融循环次数、填料含水量和密实度对路基填料的影响效应，重点分析了路基填料的变形特征与强度特性。试验表明：冻融循环次数及含水量增加或密实度降低，A组填料的强度也会降低，且影响较为显著。并且，冻融循环后填料呈现出峰后软化特性，且冻融循环次数、含水量、密实度及围压未对应力－应变曲线形式造成影响。随后，引入了冻融循环影响因子的概念，并将该因子采用统一的二次多项式的形式表示，构建一种刻画冻融循环效应的路基填料软化型非线性本构模型。基于静三轴试验结果，确定了模型的参数，并分析了不同因素影响下对模型参数的影响规律。结果表明：本构模型较好地表示了冻融循环下路基A组填料的应力－应变关系特性。最后，针对巴准重载铁路DK97+457高路堤路基断面状况，采用构建的填料的本构模型，建立了季冻区重载列车荷载作用下路基变形分析的有限元模型，分析了冻融循环、含水量、密实度对重载铁路路基变形的影响规律。研究表明：冻融循环次数、含水量及密实度对路基的变形均有影响，但影响范围不大，大致在基床表面以下5m范围内，之后变形迅速衰减至0。因此，路基上部的基床内设置防冻层、隔水层等措施，提高施工水平，加强质量控制，对控制重载铁路路基变形具有重要的意义。