现阶段我国高速铁路线下结构呈现出的损伤病害问题越来越多，探查铁路线下结构的病害成为土木工程领域关注的重要课题和难题，尤其是诊断支承板与基床表层层间缺陷，现有的各种探测方法都存在一定的局限性，不能有效查找出病害分布位置。针对这一问题，本研究通过分析弹性波在线下结构三维模型中的传播特性和病害在弹性波动场中的表现特征，达到推断线下结构内部状况和检测病害的目的。根据对线下结构形式及病害的调查结果，我国已建成的高速铁路，绝大多数路段采用无砟轨道。无砟轨道线下结构由轨道板、CA砂浆层、支承层和基床层构成，其中，CA砂浆层位于轨道板和支承层之间，起到缓冲高速列车动荷载达到减振效果。目前多层线下结构大多数病害多集中在混凝土板和CA砂浆层上，主要表现为轨道板断裂、CA沙浆层不密实、流出和脱空现象。通过对线下结构和各种缺陷的深入分析，本研究提出了多层线下结构的层状介质模型，利用弹性波在层状介质中的传播理论，推导出CA砂浆层脱空和混凝土板内部不密实等缺陷可以从弹性波场的振幅特征、频率特征以及时频特征上进行捕捉。从理论上证明在脱空和不密实缺陷的正上方弹性波场的波形振幅及卓越频谱振幅会放大。基于层状介质弹性波场理论分析，考虑高速铁路病害的典型特点，首先建立了高速铁路线下结构三维缺陷模型，采用有限元动力方法对响应波场进行模拟计算。根据响应波形的振幅特征、频谱特征及时频特征等，研究高铁线下结构中弹性波传播的动力学特性，分析物理力学参数的变化，尤其是缺陷区域对响应波场的影响，发现界面反射系数是弹性波无损检测中重要的影响因素，建立了界面反射系数与冲击响应强度、卓越频谱振幅和时频的响应持时的关系，为实际现场无损检测开展和进一步的全波场无损检测提供必要的依据。最后，针对高铁线路中常见的支承板与基床层间病害，实施了1:1实尺高铁线下结构缺陷模型试验。根据高铁工艺要求，浇筑支承板与基床砂浆调整层；根据实际病害调查，在模型内部人为设置缺陷，并完成支承板的吊装；最后在支承板上开展与实际现场类似的检测试验，通过对实测数据进行波形处理、频谱分析、时频分析，基于理论分析以及对比数值模拟结果，评价弹性波场法缺陷检测的有效性。提出了高速铁路线下工程病害弹性波场快速检测方法的数据采集方法、数据分析方法以及结果的评价方法。本研究得到了中国铁路总公司科技开发计划课题-高速铁路线下工程病害机理与快速检测识别技术研究（2013G004-A-1）以及国家自然科学基金面上基金，复杂岩土工程介质中全波场传播特性及相关无损检测方法（11372180）的资助。