近年来,随着我国高速铁路的发展,特别是高速铁路网向季冻区以及严寒区的延伸,冻胀和融沉等病害引起的路基稳定性问题日渐突出,严重影响轨道结构的平顺性与耐久性。现有无砟轨道结构防水性能差、地表水下渗是引起路基冻胀和融沉的主要原因。沥青混凝土基床表层的应用能够显著提升无砟轨道结构的防水性能,降低路基动应力水平,对提高无砟轨道稳定性、降低养护费用、延长使用寿命具有积极的作用。目前,无砟轨道沥青混凝土基床表层的研究及应用主要基于沥青路面研究成果及应用经验,对沥青混凝土基床表层在无砟轨道结构中的服役环境的认识不够明确,特别是对无砟轨道服役环境下沥青混凝土基床表层的损伤行为的研究不够深入。因此,本文从沥青混凝土基床表层在无砟轨道结构中服役环境出发,针对沥青混凝土基床表层的局部损伤行为展开研究。本文首先建立了含沥青混凝土基床表层无砟轨道动力分析模型和热分析模型,并利用郑徐客专沥青混凝土基床表层试验段动态试验数据和温度监测数据对模型进行了验证;然后基于动力分析模型和热分析模型研究了沥青混凝土基床表层服役应力环境和温度环境,分析了服役期内沥青混凝土基床表层局部损伤模式;随后,通过开展不同温度、应力水平下的静态、动态蠕变试验,利用时间-温度-应力等效原理得到了两种沥青混凝土的蠕变柔量主曲线和位移因子,推导了考虑附加位移荷载的应力增量法,计算降温条件下沥青混凝土基床表层的温度应力,并利用改进TSRST试验对解析解进行了验证;最后,利用时间-温度-应力等效原理和应力增量法对服役期内沥青混凝土基床表层长期蠕变行为和低温开裂行为进行了预测。研究结果表明,列车荷载作用下荷载沥青混凝土基床表层主要受顶面竖向压应力和底面纵向拉应力控制,CRH380型列车以350km/h的运行速度通过时,顶面竖向压应力和底面纵向拉应力最大值分别为22.5KPa和34KPa。底座板正下方沥青混凝土基床表层温度变化变化幅度较路肩小,且变化周期滞后,边缘和中心位置分别滞后约5小时和30小时。服役期间底座板正下方区域内沥青混凝土基床表层受到上部结构自重荷载和列车动荷载的共同作用,应力水平低,作用时间长。长期蠕变行为导致的永久变形,以及降温条件下底座板伸缩缝处开裂是沥青混凝土基床表层的主要损伤模式。基于粘弹性材料时间-温度-应力等效效应,通过短期蠕变试验可得到蠕变柔量主曲线和温度-应力移位因子,利用蠕变主曲线和温度-应力移位因子可以对寿命周期内沥青混凝土在不同温度条件、应力水平下的蠕变行为在时间尺度上进行等效换算,从而实现对沥青混凝土基床表层长期蠕变行为的预测。降温条件下上部结构收缩在底座板伸缩缝处产生的附加位移荷载是导致沥青混凝土基床表层开裂的主要原因。附加位移荷载的作用使沥青混凝土温度应力显著增大,改进后的TSRST试验能够实现降温条件下附加位移荷载的自动加载,评价附加位移荷载对温度应力的影响。基于Burgers模型的应力增量法能够准确计算附加位移荷载影响下沥青混凝土的温度应力,计算结果与TSRST试验结果具有较高的吻合度。结合热-结构耦合分析模型和应力增量法,可以实现对不同降温环境下沥青混凝土基床表层的低温开裂行为的预测。