过去的十年,我国高速铁路建设飞速发展,无砟轨道也因其高稳定性、低维修量、刚度均匀、结构美观等优点成为高速铁路轨道的主要形式。在追求高速的同时,保证列车运营安全、提高乘坐舒适度和轨道结构服役寿命成为了我国高速铁路发展面临的新挑战。作为轨道结构和列车荷载的基础,土质路基的承载能力相对较低,对动荷载和水侵蚀反应敏感,受土质不均、地下水位变化及其他路基病害等的影响,不可避免地会产生不均匀沉降。而路基不均匀沉降会直接导致无砟轨道几何形位和支承状态发生改变,列车高速通过时,系统动力学性能受到影响,严重时甚至威胁行车安全,这使得沉降控制成为在土质路基上铺设无砟轨道的关键问题。鉴于此,本文通过仿真路基沉降对高速车辆?无砟轨道系统力学特性的影响,从动力学的角度研究了路基不均匀沉降的控制阈值及其长期演化规律,以期为高速铁路的前期设计及后期运营维护提供一定的理论依据。首先,结合Winkler弹性地基叠合梁理论建立了考虑路基沉降的无砟轨道?路基映射关系求解模型,根据国内高速铁路常用的无砟轨道结构特征将轨道分为双块式、单元板式和纵连板式三类,针对模型是否考虑层间接触分别提出解析和半解析求解方法,并结合有限元模型进行对比验证。在该静力学模型的基础上,基于车辆?轨道耦合动力学理论,建立了考虑路基沉降的高速车辆?无砟轨道?路基垂向动力相互作用模型。其中,车辆采用多体动力学理论建模,轨道模型则考虑了结构自重荷载,并引入Heaviside阶梯函数模拟混凝土轨道层间以及路基与轨道的接触状态,以路基不均匀沉降作为非线性边界条件,编制了相应的计算程序。之后,应用无砟轨道?路基映射关系半解析求解模型,对比分析了不同无砟轨道系统仅受轨道自重荷载作用时,路基不均匀沉降映射至轨面形成的附加几何不平顺特征以及混凝土轨道与土质路基间的接触特性;详细研究了不同路基沉降参数(沉降波长、幅值)和沉降型式(余弦型、折角型、错台型)引起的静平衡状态下的无砟轨道几何平顺性和层间联结特性的变化规律。以路基不均匀沉降静力学研究结果为初始条件,采用数值积分算法仿真了高速车辆运行于不同无砟轨道系统时,路基不均匀沉降对车辆?轨道耦合系统动力特性的影响。结果显示,路基沉降会加剧轮轨动力相互作用,但相对于运行安全性指标,车体振动更为剧烈且衰减缓慢,表明车辆运行平稳性更易受到不均匀沉降的影响;且静平衡状态下沉降引起的轨道与路基间的局部脱空对轨道结构动力性能有显著影响,在车辆荷载作用瞬时,脱空区域轨道振动加剧,轨道与路基可能重新恢复接触,也可能继续保持空吊但脱空程度有所缓解,列车长期运营过程中,局部脱空区将经受反复“拍打”,给无砟轨道的疲劳寿命造成损害。对于余弦型路基不均匀沉降,存在敏感波长使车辆动力响应明显恶化(本文计算工况中为15~25m),而路基沉降幅值和车辆运行速度与系统动力响应均成正相关。此外,折角型路基沉降引起的车辆和轨道系统振动较为平缓,错台型沉降因引发了十分严重的局部脱空,车辆经过时轨道系统动力性能恶化显著。在此基础上,从行车安全性、乘坐舒适性和轨道?路基动态服役性能三个方面,选取相应的动力学性能指标,对不同无砟轨道系统开展了路基不均匀沉降限值研究。结果表明,相比车辆运行安全性指标,乘车舒适度以及车辆对轨道和路基的动力作用受不均匀沉降的恶化效应更为显著,20m以上波长的路基沉降主要由平稳性指标控制,20m以下波长沉降由轨道?路基动态服役性能指标,尤其是钢轨动位移控制。三种无砟轨道的沉降限值阈基本一致,针对不同沉降波长初步提出了对应的沉降幅值控制建议:波长在10m以下的路基不均匀沉降应予以消除;波长在15~20m、20~30m、30~40m范围内的路基沉降,沉降幅值建议分别控制在10mm、15mm、20mm以下。进一步,结合已建立的考虑路基沉降的车辆?无砟轨道耦合动力学模型,和长期交通荷载作用下路基土体的累积塑性应变公式预测模型,提出了预测列车运营期间高速铁路路基沉降演化规律的迭代算法,并以武广高速铁路为例,对比计算了不同初始沉降条件下高速铁路路基的累积变形过程,以及沉降发展过程中上部车辆?轨道耦合系统动力特性的演变规律。