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随着中国高速铁路工程建设的飞速发展，越来越多的在建或规划中的高速铁路将穿越季节性冻土区。鉴于高速铁路路基工程对变形的严格限制，如何有效的抑制和控制路基填料级配碎石的微冻胀变形，是当前迫切需要解决的问题。本文基于兰新（兰州-新疆）高速铁路第二双线门源到民乐段2015-2016完整冻融期15个监测断面水文气象、温度、水分、变形数据，分析了高速铁路路基不同填料层的冻胀特征和潜在发生机理。通过现场实体工程和室内大模型试验，结合有限元数值模拟，对高速铁路路基冻结过程中的水分迁移和重分布现象进行了深入研究。针对传统冻胀试验设备的不足，基于改进的精密冻胀设备，对级配碎石的冻胀敏感性进行了一系列的单向冻结实验，并建立了不同细颗粒含量条件下的级配碎石微冻胀有限元计算模型。最后，综合野外监测、室内实验、数值模拟的结果，对兰新高速铁路路基稳定性进行了系统的评价，以期为寒区高速铁路路基工程的设计和维护提供科学依据和技术支撑。本文主要得出以下结论: (1)基于兰新高速铁路门源-民乐段2015-2016年15个典型断面的温度、水分、变形监测数据，对不同深度的路基填料层的温度、变形特征和规律进行了系统性分析。研究结果表明:冻结期间，路基的冻胀主要发生在级配碎石层中，其冻胀量约占总冻胀量的57％。融化期间，监测到的最大瞬时冻胀量要超过冻结期的最大冻胀变形。从整体趋势上来看，路堑和浅路堑结构的冻结深度和冻胀量要小于路提结构。 (2)为了研究高速铁路路基填料冻融过程中的水分迁移及其重分布现象，对兰新高铁8个监测断面冻融过程中的水分变化特征进行了系统性分析，并开展了一系列路基水分迁移大模型试验。研究结果表明:水分迁移产生的分凝冻胀是路基填料层产生变形的主要原因。路基填料在冻结过程中的未冻水含量和温度始终保持动态平衡状态，两者之间呈现指数关系。冻融过程中，路基填料层中的未冻水含量和冻结温度之间存在一定的“滞后”关系。外荷载对冻胀量存在一定的抑制作用。 (3)对兰新高速铁路路基15个典型断面进行了钻孔取样，共取样40份。基于统计学理论，分析了试样的级配，细颗粒含量和初始含水率。研究结果表明:级配碎石的初始质量含水率在2％～23％范围之内。冻胀量较大的路基断面(9mm)的填料不均匀系数在10％～60％范围之内。粒径小于2mm的土颗粒含量分布在30％～70％之间。粒径小于0.075mm的土颗粒含量分布在1％～3％之间。 (4)为了研究高速铁路路基填料冻胀敏感性，对野外钻取的填料试样进行了一系列的单向冻结实验。试验结果表明:开放系统条件下，填料冻胀量要比封闭系统下的冻胀量大。在开放系统下，填料冻结初期的补水速率约为冻结后期的20倍，这是由于冻结初期的温度梯度较大导致补水速率较大。冻结后试样的分层切片含水率测定结果表明，冻结过程中冻结缘附近的含水率较大，说明冻结缘附近的水分迁移量较大。 (5)为了研究不同细颗粒含量下级配碎石的冻胀敏感性，对传统的冻胀试验设备进行了改进，并开展了一系列单向冻结冻胀实验。研究结果表明:当外界温度降低时，饱水级配碎石会产生明显的冻胀变形。试样开始产生分凝冻胀的时间随着细颗粒含量的增加而减小，而试样的补水量和冻胀量随着细颗粒含量的增加。整个冻结过程可以分为两个阶段，第一阶段（原位冻结阶段）:实验开始初期，由于试样两端的温度梯度较大，试样出现了一定的“冷缩”固结现象，这是由于温度差异，引起颗粒骨架之间的孔隙水压力增大，导致试样内一部分水分被挤出，试样产生轻微的沉降变形。第二阶段（分凝冻胀阶段）:随着冻结时间的增加，试样的冻胀量开始急剧增加，与此同时，试样从外界吸收的水分也开始急剧增加，两者均保持线性增加趋势。 (6)考虑极端情况下，细颗粒土在级配碎石中的分布状态可以简化为三种:纯级配碎石、细颗粒土未完全填充级配碎石孔隙、细颗粒土完全填充级配碎石孔隙。针对第二种条件下的级配碎石微冻胀特性，基于广义Takashi冻胀经验公式，将冻胀率视为应变，建立了级配碎石的微冻胀预测模型，并利用有限元方法进行求解，求解结果和实测实验数据对比，验证了模型的适用性。 (7)综合野外监测，室内水分迁移模型试验，室内单向冻结实验，数值模拟的结果，通过考虑影响高速铁路路基工程稳定性的多个因素以及他们之间的相互作用关系，应用系统工程中的层次分析法和可靠度理论，建立了高速铁路路基稳定性的评价模型，并对兰新高速铁路路基工程的稳定性进行了全面评价。评价结果结合加权评价法得出兰新高速铁路路基工程稳定性的最终得分为74.8分，说明兰新高速铁路路基处于较稳定的状态。通过将评价结果和现场实测路基变形资料进行对比，验证了评价模型的适用性。说明此方法可以运用于寒区高速铁路路基工程的稳定性评价。