随着车辆轴重和运量的提高，列车与线路的动态相互作用显著增强，由此引发的钢轨异常磨耗、轨枕断裂、道砟粉化失效、路基沉陷和路堤边坡滑塌等病害问题已严重影响行车安全。究其原因，主要在于轴重的增加造成最大枕上压力、轨枕间荷载分担效应以及路基动应力作用深度均有所改变。鉴于此，本文以重载铁路路堤路基设计和运行维护为应用背景，在总结国内外铁路路基动力响应等相关问题研究现状的基础上，采用理论分析、室内试验、现场动力响应测试和数值模拟相结合的技术手段，对重载铁路路堤路基动力响应特性、循环荷载下路基粗粒土填料动力性能以及长期累积变形特性等科学问题开展了基础性研究。主要工作、方法及成果如下：
　　(1)针对重载铁路路基振动的振源特性和传播衰减规律等科学问题，在包神铁路、甘泉铁路和塔韩铁路选取典型路堤路段对重载列车引起的钢轨、轨枕和路堤表面振动响应进行了系统的测试，引入经验模式分解方法对非平稳的实测振动信号进行预处理，并分别从时域和频域角度对比分析了振动在不同方向上的差异，以及车辆类型、行车速度和路堤高度等因素对轨道路基振动特性的影响。
　　(2)结合列车移动荷载引起的路基动应力特点，采用室内动三轴试验研究了围压、压实度和固结应力比对路基粗粒土填料动力学参数的影响，基于Hardin双曲线模型描述了其动应力-动应变关系，并在此基础上通过引入压实度和固结应力比修正系数分别得到最大动剪切模量、最大动剪应力幅值、最大阻尼比等特征量关于围压的经验表达式。
　　(3)基于甘泉铁路路堤路基场地条件，建立了考虑钢轨-轨枕-道床-路基-场地相互作用的动力有限元分析模型，采用三维粘弹性人工边界模拟场地无限域条件，利用移动均布荷载代替固定集中力荷载，通过子程序调用方式实现了列车移动荷载的实时计算与施加。对基床和路堤本体区域采用等效线性模型考虑土体非线性，应用该模型研究了轨枕对轮轨垂向荷载的传递分担作用、路基动应力的时空分布特征以及路基不同位置的应力路径变化规律。以0.2倍自重应力定义路基动应力的有效作用深度，并以此为评价指标分析车辆轴重、行车速度、道床厚度和基床厚度等参数对路基动应力的影响。在此基础上，将路基面动应力峰值描述为车辆轴重、行车速度和道床厚度的函数，并用指数函数刻画其沿深度的衰减关系，通过与实测数据的对比验证了路基竖向动应力简化计算公式的有效性。
　　(4)基于室内动三轴试验，研究了路基粗粒土填料的动强度和累积永久变形特性，引入剩余强度将不同初始条件下试样的动强度进行归一化处理，从而建立了用双曲线表示的动强度比-破坏振次变化关系。根据长期循环荷载下粗粒土累积应变的发展特征，建立了可以综合考虑循环荷载幅值、初始平均应力和初始应力比作用的累积应变经验模型，并验证其有效性。结合三维有限元模型对路基动应力的计算结果，计算预测了重载铁路路堤路基永久变形随过轴次数或货运量的变化关系。