戈壁地區(qū)高速鐵路地基特性與工程適應性研究一、引言1.1研究背景與意義隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加速，基礎設施建設不斷推進，高速鐵路作為現(xiàn)代交通運輸?shù)闹匾M成部分，其建設對于促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、加強地區(qū)間聯(lián)系具有重要意義。在我國廣袤的西北地區(qū)，分布著大量的戈壁區(qū)域，這些地區(qū)的土地基特性與其他地區(qū)存在顯著差異，為高速鐵路的建設帶來了諸多挑戰(zhàn)。戈壁地區(qū)通常具有干旱少雨、風沙大、溫差大等特點，其土地基主要由粗顆粒的砂、礫石等組成，顆粒間的黏聚力較小，結(jié)構(gòu)性較差。這種特殊的地質(zhì)條件使得戈壁土地基在承載能力、變形特性、穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)出與一般地基不同的性質(zhì)。在高速鐵路建設中，列車運行時會產(chǎn)生較大的動荷載，對地基的強度和穩(wěn)定性提出了很高的要求。若地基處理不當，可能導致路基沉降、變形過大，影響列車的安全平穩(wěn)運行，增加后期維護成本，甚至危及行車安全。研究戈壁土地基特性對于保障高速鐵路在戈壁地區(qū)的建設和運營具有至關重要的意義。準確了解戈壁土地基的物理力學性質(zhì)，如顆粒組成、密度、含水率、壓縮性、抗剪強度等，有助于合理選擇地基處理方法和設計參數(shù)，確保地基能夠滿足高速鐵路對承載能力和變形控制的要求。深入研究戈壁土地基在動荷載作用下的動力響應特性，如振動特性、動應力分布、動變形規(guī)律等，可以為高速鐵路的軌道結(jié)構(gòu)設計和列車運行安全性評估提供科學依據(jù)，有效減少因地基振動而引起的軌道不平順和列車運行故障。通過對戈壁土地基特性的研究，還可以為戈壁地區(qū)高速鐵路的建設提供技術支持和經(jīng)驗借鑒，推動我國基礎設施建設向更廣闊的區(qū)域拓展，促進區(qū)域經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展，對于實現(xiàn)我國“一帶一路”倡議，加強與沿線國家的互聯(lián)互通也具有重要的戰(zhàn)略意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在地基特性研究領域，國內(nèi)外學者已取得了豐碩的成果。對于一般地基，研究涵蓋了土體的物理力學性質(zhì)、變形特性、強度理論等多個方面，形成了較為完善的理論體系。而針對戈壁土地基特性的研究，雖也有一定進展，但相較于一般地基仍顯不足。國外在戈壁土地基研究方面，部分學者對戈壁地區(qū)的地質(zhì)成因和土壤特性進行了分析。美國學者通過對沙漠地區(qū)土壤的研究，指出粗顆粒土壤的顆粒級配、礦物成分對其工程性質(zhì)有顯著影響，但針對戈壁土地基在高速鐵路建設中的特殊要求和應用研究較少。歐洲一些國家在類似干旱地區(qū)的基礎設施建設中，積累了一定的地基處理經(jīng)驗，如采用特殊的壓實技術和地基加固方法來提高地基的承載能力，但這些經(jīng)驗在戈壁地區(qū)的適用性有待進一步驗證，因為戈壁土地基的顆粒組成、氣候條件等與歐洲干旱地區(qū)存在差異。國內(nèi)對于戈壁土地基特性的研究主要圍繞蘭新鐵路第二雙線等工程展開。薛暉針對蘭新鐵路第二雙線新疆段戈壁區(qū)路基試驗段工程，分析了含水率、顆粒組成、物質(zhì)組成成分、含鹽量4個因素對戈壁土地基沉降的影響，通過荷載-沉降曲線得出含水率對戈壁土變形的影響程度，為戈壁地區(qū)無砟軌道鐵路路基的設計及工程實踐提供了依據(jù)。王飛等論述了戈壁地區(qū)的地基處理、路基防風、路基填料設計及施工工藝、路基邊坡防護等關鍵技術問題，并提出應對措施，為蘭新鐵路第二雙線高速鐵路建設提供借鑒。在高速鐵路地基處理技術方面，國內(nèi)外已發(fā)展了多種方法，如強夯法、排水固結(jié)法、復合地基法等。強夯法通過重錘夯擊地基，提高地基的密實度和承載力，在國內(nèi)外的鐵路、公路等工程中得到廣泛應用。排水固結(jié)法通過設置排水體，加速地基土的排水固結(jié)，減少地基沉降，適用于軟土地基等。復合地基法則是通過在地基中設置增強體，如樁體等，與地基土共同承擔荷載，提高地基的承載能力和穩(wěn)定性。然而，這些傳統(tǒng)的地基處理方法在戈壁土地基中的應用效果和適應性還需進一步研究。戈壁土地基的顆粒組成、滲透性等與一般地基不同，可能導致傳統(tǒng)處理方法的作用機理和效果發(fā)生變化。當前研究仍存在一些不足。對戈壁土地基的動力特性研究相對較少，尤其是在高速鐵路列車動荷載長期作用下，戈壁土地基的動力響應規(guī)律、疲勞特性等方面的研究還不夠深入，無法為高速鐵路的軌道結(jié)構(gòu)設計和長期運營安全提供充分的理論支持。戈壁土地基在復雜環(huán)境條件下，如干濕循環(huán)、溫度變化、風沙侵蝕等，其物理力學性質(zhì)的演變規(guī)律研究不夠系統(tǒng)，這對于高速鐵路地基的耐久性評估和長期穩(wěn)定性分析至關重要。不同地基處理方法在戈壁土地基中的作用機制和優(yōu)化設計研究還不夠完善，缺乏針對戈壁土地基特性的專用地基處理技術和設計規(guī)范，導致在實際工程中地基處理方案的選擇和設計存在一定的盲目性。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究將圍繞高速鐵路戈壁土地基特性展開多方面深入探索，具體內(nèi)容如下：戈壁地區(qū)土地基地質(zhì)條件的調(diào)查與分析：全面收集戈壁地區(qū)的地質(zhì)資料，涵蓋地層分布、巖性特征、地質(zhì)構(gòu)造等。運用地質(zhì)測繪、地球物理勘探等手段，詳細查明戈壁土地基的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖土體分布規(guī)律。深入分析戈壁地區(qū)的地質(zhì)成因，探究其對土地基特性的影響機制。例如，研究戈壁土的形成過程中，風力搬運、堆積作用以及長期的干旱氣候條件對土體顆粒組成、礦物成分和結(jié)構(gòu)的塑造，從而為后續(xù)研究提供地質(zhì)背景依據(jù)。戈壁地區(qū)土地基物理力學性質(zhì)的實驗研究：通過現(xiàn)場采樣和室內(nèi)試驗，系統(tǒng)測定戈壁土的基本物理性質(zhì)指標，包括顆粒級配、密度、含水率、孔隙比等。開展戈壁土的力學性質(zhì)試驗，如壓縮試驗，獲取壓縮系數(shù)、壓縮模量等參數(shù)，以評估其壓縮性；進行直剪試驗和三軸剪切試驗，測定內(nèi)摩擦角和黏聚力，分析其抗剪強度特性。研究不同含水率、干密度等因素對戈壁土物理力學性質(zhì)的影響規(guī)律，為地基設計和處理提供基礎數(shù)據(jù)。例如，通過控制變量法，設置不同含水率和干密度的試驗組，對比分析其對戈壁土抗剪強度的影響，明確各因素的影響程度和作用機制。戈壁地區(qū)土地基動力特性的試驗研究：利用振動臺試驗、動力觸探試驗等方法，研究戈壁土地基在動荷載作用下的動力響應特性，包括振動特性、動應力分布、動變形規(guī)律等。分析列車動荷載的頻率、幅值等參數(shù)對戈壁土地基動力特性的影響，建立動力響應模型。探究戈壁土地基的動力穩(wěn)定性，評估在長期動荷載作用下地基發(fā)生液化、震陷等破壞的可能性，為高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)設計和列車運行安全性提供動力參數(shù)支持。戈壁地區(qū)土地基工程性質(zhì)的試驗研究：開展現(xiàn)場載荷試驗，確定戈壁土地基的承載力特征值和變形模量，評估其承載能力和變形性能。研究戈壁土地基在不同荷載水平和加載方式下的沉降變形規(guī)律，分析地基沉降的組成和發(fā)展過程。結(jié)合工程實際，考慮上部結(jié)構(gòu)的類型和荷載分布，研究戈壁土地基與上部結(jié)構(gòu)的相互作用機制，為地基與基礎的協(xié)同設計提供依據(jù)。高速鐵路在戈壁地區(qū)的特殊地形與環(huán)境對土地基的影響研究：分析戈壁地區(qū)的特殊地形，如沙丘、沖溝等，對高速鐵路土地基穩(wěn)定性和變形的影響。研究戈壁地區(qū)的惡劣環(huán)境條件，包括干旱、風沙、溫差大等，對戈壁土地基物理力學性質(zhì)的長期作用效應。例如，研究風沙侵蝕對戈壁土顆粒結(jié)構(gòu)的破壞作用，以及干濕循環(huán)和溫度變化對土體強度和變形特性的影響，提出相應的防護措施和設計建議，以保障高速鐵路地基在復雜環(huán)境下的長期穩(wěn)定性。1.3.2研究方法為實現(xiàn)研究目標，本研究將綜合運用多種研究方法，確保研究的科學性和可靠性：實地調(diào)查法：深入戈壁地區(qū)，對高速鐵路建設場地進行實地勘察，觀察地形地貌、地層露頭和巖土體的分布情況。采集戈壁土樣本，記錄采樣位置、深度和地質(zhì)條件等信息，為后續(xù)室內(nèi)試驗提供真實可靠的樣品。與當?shù)氐刭|(zhì)部門、工程建設單位進行交流，獲取戈壁地區(qū)的地質(zhì)資料、工程建設經(jīng)驗和相關數(shù)據(jù)，全面了解研究區(qū)域的實際情況。試驗研究法：在室內(nèi)進行系統(tǒng)的土工試驗，包括物理性質(zhì)試驗、力學性質(zhì)試驗和動力性質(zhì)試驗等，嚴格按照相關試驗標準和規(guī)范操作，確保試驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。開展現(xiàn)場原位測試，如載荷試驗、動力觸探試驗、標準貫入試驗等，獲取戈壁土地基在天然狀態(tài)下的工程性質(zhì)參數(shù)，真實反映地基的實際情況。利用振動臺等試驗設備，模擬列車動荷載作用，研究戈壁土地基的動力響應特性，為理論分析和數(shù)值模擬提供試驗依據(jù)。理論分析法：基于土力學、巖石力學等相關理論，建立戈壁土地基的力學模型，分析其在靜荷載和動荷載作用下的應力應變狀態(tài)和變形規(guī)律。運用地基承載力理論、沉降計算理論等，對戈壁土地基的承載能力和沉降變形進行理論計算和分析，與試驗結(jié)果相互驗證，完善理論體系。研究戈壁土地基在復雜地質(zhì)條件和環(huán)境因素作用下的穩(wěn)定性理論，為地基處理和工程設計提供理論支持。數(shù)值模擬法：采用有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立戈壁土地基與高速鐵路結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型，考慮土體的非線性本構(gòu)關系、地基與結(jié)構(gòu)的相互作用以及復雜的邊界條件。通過數(shù)值模擬，分析戈壁土地基在不同工況下的力學響應和變形特性，預測地基的沉降、應力分布等情況，優(yōu)化地基處理方案和工程設計參數(shù)。利用數(shù)值模擬方法，研究不同因素對戈壁土地基特性的影響規(guī)律，彌補試驗研究和理論分析的局限性。二、戈壁地區(qū)地質(zhì)環(huán)境2.1自然地理條件2.1.1地理位置與地形地貌戈壁地區(qū)在我國主要分布于內(nèi)蒙古自治區(qū)西北部、新疆維吾爾自治區(qū)等地，地處內(nèi)陸，遠離海洋。這些地區(qū)深居歐亞大陸腹地，周邊多被山脈環(huán)繞，使得海洋水汽難以深入，氣候干旱少雨。以新疆的戈壁地區(qū)為例，其位于天山南北兩側(cè)，塔里木盆地和準噶爾盆地周邊廣泛分布著戈壁地貌。在地理位置上，處于中緯度地區(qū)，具有典型的大陸性氣候特征。從地形地貌來看，戈壁地區(qū)主要呈現(xiàn)出以下特點：地勢總體較為平坦，但也存在一定的起伏。在局部區(qū)域，由于長期的地質(zhì)作用，形成了一些低緩的丘陵和臺地。這些丘陵和臺地相對高度一般在幾十米到上百米不等，其頂部較為平坦，邊坡較為平緩。例如，在內(nèi)蒙古的戈壁地區(qū)，就有許多這樣的低緩丘陵，它們是由古老的巖石經(jīng)過長期風化、剝蝕作用而形成的，其巖性主要為花崗巖、砂巖等。在戈壁地區(qū)，還分布著大面積的沖洪積平原。這些平原是由山區(qū)的河流攜帶大量的泥沙、礫石等物質(zhì)，在出山后由于地勢變緩，水流速度減慢，所攜帶的物質(zhì)逐漸沉積而形成的。沖洪積平原的物質(zhì)組成以粗顆粒的礫石、砂為主，分選性較差，顆粒大小混雜。在一些大型河流的沖積扇上，從扇頂?shù)缴染?，顆粒逐漸變細，沉積物的厚度也逐漸變薄。此外，戈壁地區(qū)還存在一些特殊的地貌形態(tài)，如雅丹地貌。雅丹地貌是一種典型的風蝕地貌，主要是由于風力對干旱地區(qū)的巖石和沉積物進行長期侵蝕而形成的。其形態(tài)多樣，有的像城堡，有的像蘑菇，有的像石柱，具有極高的觀賞價值和科學研究價值。著名的新疆羅布泊地區(qū)的雅丹地貌，就是在長期的風力作用下，將原本平坦的地面侵蝕出各種奇特的形狀，形成了一片壯觀的“雅丹城堡”。還有風蝕殘丘，這也是風蝕作用的產(chǎn)物，是在風力侵蝕下，巖石逐漸被剝蝕，形成的孤立的小丘。風蝕殘丘的高度一般在數(shù)米到數(shù)十米之間，其形態(tài)不規(guī)則，表面常被風蝕出各種凹槽和蜂窩狀的小孔。2.1.2氣象條件戈壁地區(qū)的氣象條件具有顯著的特殊性，對地基特性有著重要影響。在氣溫方面，戈壁地區(qū)呈現(xiàn)出典型的大陸性氣候特征，晝夜溫差極大。夏季，白天太陽輻射強烈，地面迅速升溫，氣溫可高達40℃以上；而到了夜晚，由于戈壁地區(qū)空氣干燥，云層稀少，大氣逆輻射弱，地面熱量迅速散失，氣溫可驟降至10℃以下，晝夜溫差可達30℃左右。冬季則十分寒冷，平均氣溫在-10℃以下，極端低溫甚至可達-30℃以下。這種劇烈的溫度變化，使得戈壁土地基中的巖土體反復經(jīng)歷熱脹冷縮的過程。在溫度升高時，巖土體膨脹，內(nèi)部產(chǎn)生壓應力；溫度降低時，巖土體收縮，內(nèi)部產(chǎn)生拉應力。長期的熱脹冷縮作用，容易導致巖土體結(jié)構(gòu)破壞，顆粒之間的連接變?nèi)酰瑥亩绊懙鼗膹姸群头€(wěn)定性。例如，在戈壁地區(qū)的一些混凝土基礎中，由于受到晝夜溫差的影響，混凝土表面會出現(xiàn)裂縫，隨著時間的推移，這些裂縫可能會逐漸擴展，降低基礎的承載能力。降水方面，戈壁地區(qū)降水稀少，年降水量一般在200毫米以下，甚至部分地區(qū)年降水量不足50毫米。降水主要集中在夏季，且多以暴雨的形式出現(xiàn)。由于降水稀少，戈壁土地基的含水率通常較低，土體處于較為干燥的狀態(tài)。這使得土體顆粒之間的摩擦力較大，但黏聚力較小，地基的抗剪強度主要取決于內(nèi)摩擦角。而夏季的暴雨，雖然歷時較短，但強度較大，可能會在短時間內(nèi)使地基土體的含水率急劇增加，導致土體飽和，有效應力減小，抗剪強度降低。同時，暴雨還可能引發(fā)地面徑流，對地基產(chǎn)生沖刷作用，破壞地基的表層結(jié)構(gòu)，降低地基的承載能力。風力條件也是戈壁地區(qū)氣象的重要特征之一。戈壁地區(qū)風力強勁，常年多風，尤其是春季和冬季，大風頻繁。平均風速一般在5-10米/秒之間，部分地區(qū)瞬間最大風速可達20米/秒以上。強風對戈壁土地基的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一是風蝕作用，風力將地表的細顆粒物質(zhì)吹走，使地基土體的顆粒組成發(fā)生變化，粗顆粒相對增多，土體結(jié)構(gòu)變得更加松散，地基的密實度和承載能力降低。例如，在長期的風蝕作用下，戈壁地區(qū)的一些路基表面會出現(xiàn)明顯的風蝕凹槽，路基的穩(wěn)定性受到威脅。二是風沙堆積，風中攜帶的大量沙塵在遇到障礙物或風速減小時，會在地基表面堆積，形成風沙層。風沙層的存在可能會改變地基的應力分布，影響地基的變形特性。此外，風沙還可能對地基中的建筑物和基礎設施造成磨損和侵蝕，降低其使用壽命。2.2地層與巖性戈壁地區(qū)的地層結(jié)構(gòu)較為復雜，其形成經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)歷史時期，受到多種地質(zhì)作用的影響。以新疆戈壁地區(qū)為例，從地層分布來看，自下而上主要包括前寒武系、古生界、中生界和新生界。前寒武系主要出露于山區(qū)，由變質(zhì)巖和花崗巖組成，這些巖石經(jīng)歷了強烈的構(gòu)造運動和變質(zhì)作用，巖石結(jié)晶程度高，質(zhì)地堅硬。其巖性致密，抗風化能力較強，在長期的地質(zhì)歷史中，構(gòu)成了戈壁地區(qū)的基底，對上部地層的沉積和構(gòu)造演化起到了重要的控制作用。古生界在戈壁地區(qū)也有廣泛分布，包括寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系和二疊系。寒武系和奧陶系主要為海相沉積巖，巖性以石灰?guī)r、頁巖和砂巖為主，含有豐富的海相化石，反映了當時的海洋環(huán)境。志留系和泥盆系則經(jīng)歷了海陸變遷，既有海相沉積，也有陸相沉積，巖性較為復雜，包括砂巖、頁巖、礫巖等。石炭系和二疊系以陸相沉積為主，巖性主要為砂巖、泥巖和煤層，這一時期氣候溫暖濕潤，植被茂盛，為煤炭的形成提供了物質(zhì)基礎。中生界在戈壁地區(qū)主要為侏羅系、白堊系，巖性主要為砂巖、泥巖、礫巖等陸相碎屑巖。侏羅系地層中常含有煤層，是重要的煤炭資源層位。這一時期，陸地面積進一步擴大，沉積環(huán)境以河流、湖泊相為主，地層中發(fā)育有豐富的交錯層理和波痕等沉積構(gòu)造，反映了當時的水流動力條件和沉積環(huán)境。白堊系地層則主要為紅色碎屑巖，是在干旱炎熱的氣候條件下形成的，巖石中含有大量的氧化鐵，使其呈現(xiàn)出紅色。白堊系地層中還發(fā)育有一些特殊的地質(zhì)構(gòu)造，如斷層、褶皺等，這些構(gòu)造對地層的穩(wěn)定性和地下水的分布產(chǎn)生了重要影響。新生界在戈壁地區(qū)主要為第三系和第四系。第三系地層巖性主要為砂巖、泥巖、礫巖等，是在古近紀和新近紀的地質(zhì)時期形成的，沉積環(huán)境以湖泊、河流相為主。第四系地層則是最年輕的地層，廣泛分布于戈壁地區(qū)的地表，主要由松散的沉積物組成，包括砂、礫石、黏土等，其成因復雜，有沖積、洪積、風積等多種類型。戈壁地區(qū)的主要巖石類型及其特性對地基工程有著重要影響?；◢弾r是戈壁地區(qū)常見的巖石類型之一，它是一種深成酸性巖漿巖，主要由石英、長石和云母等礦物組成?；◢弾r質(zhì)地堅硬，強度高，抗壓強度一般可達100-200MPa，抗剪強度也較高。其風化程度因地質(zhì)條件和暴露時間而異，在山區(qū)，新鮮的花崗巖出露較多，風化程度較輕，巖石完整性好；而在一些地勢較低的地區(qū)，花崗巖可能受到長期的風化作用，形成風化殼，風化殼厚度可達數(shù)米至數(shù)十米，風化后的花崗巖強度降低，工程性質(zhì)變差。砂巖也是戈壁地區(qū)常見的巖石類型，它是由砂粒膠結(jié)而成的沉積巖，主要礦物成分為石英和長石。砂巖的強度和膠結(jié)程度有關，膠結(jié)物為硅質(zhì)、鐵質(zhì)時，砂巖強度較高，抗壓強度一般在50-100MPa；膠結(jié)物為泥質(zhì)時，砂巖強度較低，抗壓強度一般在10-50MPa。砂巖的風化程度也較為明顯，在長期的風化作用下，砂粒之間的膠結(jié)逐漸被破壞，巖石變得松散，容易發(fā)生坍塌和剝落。礫巖是由礫石膠結(jié)而成的沉積巖，礫石粒徑一般大于2mm。礫巖的顆粒間孔隙較大，透水性強，但強度相對較低，抗壓強度一般在20-80MPa。其結(jié)構(gòu)較為松散，在地基工程中，需要對礫巖的承載能力和穩(wěn)定性進行充分評估。如果礫巖的膠結(jié)較差，在荷載作用下，礫石可能會發(fā)生移動和錯位，導致地基沉降和變形。泥巖是一種由黏土礦物組成的沉積巖，質(zhì)地柔軟，強度低，抗壓強度一般在5-20MPa。泥巖的含水率較高，遇水后容易軟化和膨脹，其抗剪強度也會顯著降低。在戈壁地區(qū)，泥巖常與其他巖石互層分布，由于其工程性質(zhì)較差，在地基處理中需要特別注意，防止因泥巖的軟化和膨脹導致地基失穩(wěn)。2.3水文地質(zhì)概況2.3.1地下水類型與分布戈壁地區(qū)的地下水類型較為多樣，主要包括潛水和承壓水。潛水是指地表以下，第一個穩(wěn)定隔水層以上具有自由水面的地下水。在戈壁地區(qū)，潛水廣泛分布于第四系松散堆積物中，如沖洪積扇、河谷階地等地段。其主要補給來源為大氣降水、山區(qū)冰雪融水和地表徑流的入滲。在山區(qū)，冰雪融水在春季和夏季大量融化，形成地表徑流，一部分徑流會滲入地下，補給潛水。大氣降水雖然稀少，但在局部地區(qū)，如暴雨后，也會有少量雨水滲入地下，對潛水進行補給。承壓水是指充滿于兩個穩(wěn)定隔水層之間的含水層中的地下水。在戈壁地區(qū)，承壓水主要賦存于深部的碎屑巖地層和部分碳酸鹽巖地層中。其補給來源較為復雜，除了側(cè)向的徑流補給外，在一些構(gòu)造破碎帶附近，可能存在深部熱水的補給。例如，在新疆的某些戈壁地區(qū)，深部的構(gòu)造活動使得深部熱水沿著斷裂帶上升，對承壓水進行補給，這種熱水補給可能會改變承壓水的化學成分和溫度。從分布規(guī)律來看，戈壁地區(qū)的潛水分布與地形地貌和地層巖性密切相關。在山前沖洪積扇地區(qū)，潛水含水層厚度較大，顆粒較粗，透水性強，富水性較好。以新疆準噶爾盆地南緣的戈壁地區(qū)為例，山前沖洪積扇的上部，潛水含水層厚度可達數(shù)十米，巖性主要為礫石、粗砂，地下水的滲透系數(shù)較大，單井出水量較高，一般可達每小時幾十立方米。隨著地勢向平原地區(qū)降低，沖洪積扇的下部潛水含水層厚度逐漸變薄，顆粒變細，透水性和富水性也逐漸減弱。在河谷階地地區(qū)，潛水也有一定的分布，其含水層主要由河流沖積物組成，巖性為砂、礫石和黏土互層，富水性受河流流量和階地高度的影響。一般來說，靠近河流的低階地潛水富水性較好，而高階地富水性相對較差。承壓水的分布則主要受地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性的控制。在一些大型的向斜構(gòu)造和斷裂構(gòu)造附近，承壓水較為富集。例如，在內(nèi)蒙古的戈壁地區(qū)，一些向斜構(gòu)造中，深部的碎屑巖地層形成了良好的儲水構(gòu)造，承壓水在其中儲存。這些地區(qū)的承壓水水頭較高，在合適的條件下，可能會出現(xiàn)自流現(xiàn)象。地層巖性對承壓水的分布也有重要影響，碎屑巖中的砂巖和礫巖孔隙度和滲透率相對較高，有利于承壓水的儲存和運移；而泥巖和頁巖等則相對隔水，起到了封存承壓水的作用。在不同的戈壁地區(qū)，由于地質(zhì)條件的差異，承壓水的分布深度和富水性也有所不同。在一些地區(qū)，承壓水的埋藏深度可達數(shù)百米，而在另一些地區(qū)，可能相對較淺，幾十米即可見承壓水。2.3.2地下水對地基的影響地下水對戈壁地區(qū)高速鐵路地基的穩(wěn)定性和耐久性有著多方面的重要影響。在穩(wěn)定性方面，地下水水位的變化是一個關鍵因素。當?shù)叵滤簧仙龝r，地基土體的含水率增加，土體的重度增大，有效應力減小，抗剪強度降低。對于戈壁地區(qū)的地基，由于其土體顆粒間的黏聚力本來就較小，主要依靠摩擦力來維持強度，地下水水位上升導致的抗剪強度降低可能更為明顯。例如，在一些以砂、礫石為主的戈壁土地基中，當?shù)叵滤簧仙雇馏w飽和時，在外部荷載作用下，地基可能更容易發(fā)生滑動和坍塌，危及高速鐵路路基的穩(wěn)定。水位下降則可能導致地基土體的沉降和收縮變形。由于戈壁地區(qū)土體的顆粒結(jié)構(gòu)較為松散，地下水水位下降后，土體失去水的浮力支撐，顆粒間的接觸應力增大，土體發(fā)生壓縮變形，從而引起地基沉降。不均勻的水位下降還可能導致地基的不均勻沉降，使高速鐵路的軌道產(chǎn)生變形，影響列車的平穩(wěn)運行。地下水的水質(zhì)對地基的耐久性也有著顯著影響。戈壁地區(qū)的地下水礦化度一般較高，含有多種化學成分，如硫酸鹽、氯化物、碳酸鹽等。這些化學成分可能會與地基土體中的礦物成分發(fā)生化學反應，導致土體結(jié)構(gòu)的破壞和強度降低。例如，地下水中的硫酸鹽可能與土體中的鈣離子發(fā)生反應，生成石膏等膨脹性礦物，使土體體積膨脹，產(chǎn)生內(nèi)應力，導致土體結(jié)構(gòu)疏松，強度下降。地下水中的氯化物具有較強的腐蝕性，可能會對地基中的混凝土結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)造成腐蝕。在高速鐵路的地基中，混凝土基礎和鋼筋等金屬連接件廣泛應用，氯化物的腐蝕會降低混凝土的強度和鋼筋的承載能力，縮短地基的使用壽命。例如，當氯化物侵入混凝土內(nèi)部后，會破壞鋼筋表面的鈍化膜，使鋼筋發(fā)生銹蝕，銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹，會導致混凝土開裂，進一步加速鋼筋的銹蝕和混凝土的破壞。地下水的滲透作用也不容忽視。在地下水的滲透過程中，可能會攜帶地基土體中的細顆粒物質(zhì)，導致土體的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生管涌和流土等現(xiàn)象。管涌是指在地下水的滲透力作用下，土體中的細顆粒通過粗顆粒的孔隙被帶走，逐漸形成管狀通道，使地基的強度降低。流土則是指在滲透力的作用下，地基表面的土體顆粒發(fā)生懸浮移動，導致地基的破壞。在戈壁地區(qū)，由于土體顆粒的級配和結(jié)構(gòu)特點，地下水的滲透作用更容易引發(fā)管涌和流土現(xiàn)象，嚴重威脅高速鐵路地基的穩(wěn)定性。三、戈壁土地基地質(zhì)勘察3.1地基勘察方法概述在高速鐵路建設中，準確了解戈壁土地基地質(zhì)條件是確保工程安全和穩(wěn)定的關鍵，而地質(zhì)勘察方法的合理選擇與應用則是獲取詳細地質(zhì)信息的重要手段。常用的地質(zhì)勘察方法主要包括鉆探、物探、原位測試等，每種方法都有其獨特的原理、特點及適用范圍。鉆探是地質(zhì)勘察中最常用的方法之一，它通過鉆機在地面鉆孔，采集地下巖土樣本，以便直接觀察和分析巖土的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。在戈壁地區(qū)，鉆探方法主要有回轉(zhuǎn)鉆和沖擊鉆。回轉(zhuǎn)鉆中的螺旋鉆不適用于碎石土和巖石地層，因為其螺旋葉片在遇到較大顆粒的碎石或堅硬巖石時，難以鉆進，且易損壞設備；而無巖芯鉆和巖芯鉆則適用于任何地層。巖芯鉆能夠取出完整的巖芯樣本，通過對巖芯的分析，可以直觀地了解地層的巖性、構(gòu)造、風化程度等信息。沖擊鉆中的沖擊鉆不適用于粘性土和巖石，因為在粘性土地層中，沖擊作用易使孔壁坍塌，而在巖石地層中，沖擊能量難以有效傳遞，鉆進效率低；錘擊鉆和振動鉆不適用巖石，在巖石中難以產(chǎn)生有效鉆進；沖洗鉆不適用于碎石土和巖石，其沖洗液在碎石土和巖石中易流失，無法形成有效的護壁和排渣。鉆探方法的優(yōu)點是能夠獲取巖土的實物樣本，為室內(nèi)試驗提供材料，從而準確測定巖土的物理力學性質(zhì)，如顆粒分析、密度、含水率、抗壓強度等。但鉆探方法也存在一定的局限性，它是一種點狀勘察，只能獲取鉆孔位置的地質(zhì)信息，對于鉆孔之間的地層情況了解有限，且鉆探成本較高，效率相對較低，尤其是在復雜地質(zhì)條件下，鉆探難度會增加。物探方法則是利用地球物理場的變化來探測地下地質(zhì)體的分布和性質(zhì)。常見的物探方法包括地震勘探、電法勘探、電磁法勘探等。地震勘探是通過人工激發(fā)地震波，根據(jù)地震波在地下不同介質(zhì)中的傳播速度、反射和折射等特性，來推斷地層的結(jié)構(gòu)和巖性。在戈壁地區(qū)，由于地層相對較為干燥，地震波的傳播條件較好，地震勘探可以較好地確定地層的分層情況和深部地質(zhì)構(gòu)造。例如，通過分析地震波的反射界面，可以識別不同巖性地層的界面，確定地層的厚度和埋藏深度。電法勘探是基于巖土體的電學性質(zhì)差異，如電阻率、介電常數(shù)等，通過測量地下電場的變化來探測地質(zhì)體。在戈壁地區(qū)，不同巖性的巖土體其電阻率往往存在差異，例如，砂巖的電阻率相對較高，而泥巖的電阻率相對較低，利用這一特性可以通過電法勘探來劃分地層和尋找地下含水層。電磁法勘探則是利用電磁感應原理，通過發(fā)射和接收電磁波來探測地下地質(zhì)體。物探方法的優(yōu)點是可以快速、大面積地獲取地下地質(zhì)信息，成本相對較低，能夠初步了解地下地質(zhì)構(gòu)造的輪廓和分布范圍，為后續(xù)的鉆探和原位測試提供指導。然而，物探方法的結(jié)果解釋具有一定的多解性，受地形、地質(zhì)條件等因素的影響較大，例如，在地形起伏較大的戈壁地區(qū)，物探數(shù)據(jù)可能會受到地形的干擾，導致解釋結(jié)果不準確，因此物探結(jié)果通常需要結(jié)合其他勘察方法進行驗證和分析。原位測試是在現(xiàn)場對巖土體進行測試，以獲取其在天然狀態(tài)下的物理力學性質(zhì)。常見的原位測試方法有標準貫入試驗、動力觸探試驗、靜力觸探試驗、旁壓試驗等。標準貫入試驗是將標準貫入器打入土中一定深度，記錄貫入所需的錘擊數(shù)，根據(jù)錘擊數(shù)來判斷土的密實度和強度。在戈壁地區(qū)的砂土和礫石地層中，標準貫入試驗可以有效地評估土體的密實程度和承載能力。動力觸探試驗則是利用一定的落錘能量，將探頭打入土中，根據(jù)探頭的貫入阻力來確定土的性質(zhì)。動力觸探試驗適用于各類土和軟巖，尤其對于難以取原狀樣的戈壁土，動力觸探可以直接在現(xiàn)場測試，獲取其力學性質(zhì)指標。靜力觸探試驗是將帶有傳感器的探頭勻速壓入土中，通過測量探頭所受的阻力來確定土的性質(zhì)，該方法連續(xù)、快速，能較準確地反映土的性質(zhì)變化。旁壓試驗是通過向旁壓器內(nèi)充水，使旁壓器膨脹，對周圍土體施加壓力，從而測定土體的變形模量和承載力等參數(shù)。原位測試方法的優(yōu)點是能夠在現(xiàn)場原位條件下測試巖土體的性質(zhì)，避免了取樣過程對巖土體結(jié)構(gòu)的擾動，測試結(jié)果更能真實反映巖土體的實際情況。但原位測試方法也有其局限性，每種測試方法都有其適用的巖土類型和測試范圍，例如，標準貫入試驗對于粒徑較大的礫石土，測試結(jié)果可能不準確；靜力觸探試驗在堅硬的巖石或密實的粗顆粒土中，探頭難以壓入，無法進行測試。在戈壁地區(qū)進行高速鐵路地基勘察時，單一的勘察方法往往難以全面、準確地獲取所需的地質(zhì)信息，因此需要綜合運用多種勘察方法，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，相互補充和驗證。首先進行物探工作，利用其快速、大面積的特點，初步查明地下地質(zhì)構(gòu)造、地層分布等情況，為后續(xù)鉆探和原位測試的布點提供依據(jù)。在物探結(jié)果的基礎上，合理布置鉆探孔位，通過鉆探獲取巖土樣本，進行室內(nèi)試驗，詳細測定巖土的物理力學性質(zhì)。同時，在鉆探過程中，結(jié)合原位測試方法，對巖土體的現(xiàn)場力學性質(zhì)進行測試，與室內(nèi)試驗結(jié)果相互印證，提高勘察結(jié)果的準確性和可靠性。3.2試驗段戈壁土地基勘察內(nèi)容3.2.1勘察點布置試驗段勘察點的布置遵循全面性、代表性和經(jīng)濟性的原則，以確保能夠準確、全面地獲取地基信息，為后續(xù)的工程設計和施工提供可靠依據(jù)。在平面布置上，勘察點依據(jù)高速鐵路線路走向和路基結(jié)構(gòu)特點進行布設。對于直線段，勘察點沿線路中心線兩側(cè)對稱布置，間距一般控制在20-50米之間。例如，在地勢較為平坦、地質(zhì)條件相對均勻的直線段，勘察點間距可適當增大至50米，以提高勘察效率；而在地質(zhì)條件變化較大的地段，如地層起伏較大、巖土性質(zhì)差異明顯處，勘察點間距則加密至20米，確保能夠捕捉到地質(zhì)條件的細微變化。在曲線段，考慮到曲線半徑和超高的影響，勘察點的布置更加密集。對于半徑較小的曲線段，如半徑小于500米的曲線，在曲線內(nèi)側(cè)和外側(cè)分別布置勘察點，且間距控制在20米以內(nèi)，以準確掌握曲線段地基的受力情況和巖土性質(zhì)變化。在路基與橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)物的銜接部位，由于受力復雜，地質(zhì)條件變化大，勘察點進行重點加密布置。在這些部位，每隔10-15米布置一個勘察點，同時在銜接部位的兩側(cè)一定范圍內(nèi)，增加勘察點的數(shù)量，以全面了解銜接部位的地質(zhì)條件，為結(jié)構(gòu)物的設計和施工提供詳細的地質(zhì)資料。在豎向布置上，勘察點的深度根據(jù)地基的巖土分層情況和工程要求確定。一般情況下，勘察深度應穿透地基主要受力層，并進入下臥層一定深度。對于高速鐵路路基，主要受力層深度一般在地面以下5-10米，因此勘察點的深度通常設計為10-15米。若遇到軟弱下臥層或特殊地質(zhì)情況，如存在溶洞、斷層等，勘察深度則根據(jù)實際情況加深，以確保能夠準確查明地質(zhì)情況，評估其對工程的影響。在確定勘察點深度時，還需考慮地下水的影響。對于存在地下水的區(qū)域，勘察點應穿透地下水位，進入含水層以下一定深度，以了解地下水對地基巖土性質(zhì)的影響，以及地下水與地基的相互作用關系。3.2.2勘察測試項目為全面了解戈壁土地基的工程性質(zhì)，進行了多項勘察測試項目，涵蓋了巖土的物理性質(zhì)、力學性質(zhì)、動力性質(zhì)以及地下水等多個方面。在巖土物理性質(zhì)測試方面，進行了顆粒分析試驗，采用篩分法和比重計法測定戈壁土的顆粒組成，確定其粒徑分布范圍和不均勻系數(shù)，以了解土體的顆粒級配情況，判斷土體的均勻性和透水性。開展了密度試驗，通過環(huán)刀法、蠟封法等測定戈壁土的天然密度、干密度和飽和密度，為計算土體的孔隙比、飽和度等物理指標提供數(shù)據(jù)支持。含水率試驗也是重要內(nèi)容之一，采用烘干法測定戈壁土的含水率，了解土體的干濕狀態(tài)，因為含水率對土體的物理力學性質(zhì)有顯著影響，如含水率的變化會導致土體的強度、壓縮性等發(fā)生改變。力學性質(zhì)測試項目包括壓縮試驗，利用壓縮儀測定戈壁土在不同壓力下的壓縮變形，計算壓縮系數(shù)和壓縮模量，評估土體的壓縮性和變形特性。直剪試驗則通過直剪儀測定戈壁土的抗剪強度指標，如內(nèi)摩擦角和黏聚力，分析土體在剪切力作用下的破壞特性，為地基的穩(wěn)定性分析提供依據(jù)。三軸剪切試驗也是必不可少的，它能更真實地模擬土體在復雜應力狀態(tài)下的力學行為，獲取更準確的抗剪強度參數(shù)。動力性質(zhì)測試主要通過振動臺試驗，模擬列車動荷載作用，研究戈壁土地基在不同頻率、幅值動荷載下的振動特性，包括加速度、速度和位移響應等。動力觸探試驗則利用一定的落錘能量，將探頭打入土中，根據(jù)探頭的貫入阻力確定土體的密實度和力學性質(zhì)，評估地基在動力作用下的承載能力和穩(wěn)定性。針對地下水，進行了水位觀測，通過設置水位觀測孔，定期測量地下水位的變化，掌握地下水位的動態(tài)特征。水質(zhì)分析也是重要環(huán)節(jié)，采集地下水樣本，分析水中的化學成分，如酸堿度、礦化度、各種離子含量等，評估地下水對地基巖土和建筑材料的腐蝕性。3.3試驗段勘察實驗結(jié)果及分析3.3.1土層物理力學性質(zhì)分析對試驗段采集的戈壁土樣本進行室內(nèi)試驗，得到了土層的各項物理力學性質(zhì)指標。在物理性質(zhì)方面，顆粒分析結(jié)果顯示，戈壁土主要由粒徑大于0.075mm的粗顆粒組成，其中礫石含量占比較大，一般在40%-60%之間，砂粒含量次之，約為30%-40%，粉粒和黏粒含量較少，總計不超過10%。不均勻系數(shù)Cu值較大，一般在10-20之間，表明顆粒級配良好，土體的透水性較強。密度試驗結(jié)果表明，戈壁土的天然密度一般在2.0-2.2g/cm3之間，干密度在1.8-2.0g/cm3之間，飽和密度在2.2-2.4g/cm3之間。含水率方面，由于戈壁地區(qū)氣候干旱，土層含水率較低，一般在2%-6%之間，且在不同深度和位置的含水率變化較小。在力學性質(zhì)方面，壓縮試驗數(shù)據(jù)顯示，戈壁土的壓縮系數(shù)較小，一般在0.01-0.05MPa?1之間，屬于低壓縮性土。壓縮模量較大，一般在20-50MPa之間，表明土體抵抗壓縮變形的能力較強。直剪試驗測定的內(nèi)摩擦角較大，一般在35°-45°之間，黏聚力較小，一般在5-15kPa之間，說明戈壁土的抗剪強度主要取決于內(nèi)摩擦角，顆粒間的摩擦力較大，而黏聚力相對較弱。三軸剪切試驗得到的抗剪強度參數(shù)與直剪試驗結(jié)果具有一致性，進一步驗證了戈壁土的抗剪強度特性。通過對不同深度和位置的土層物理力學性質(zhì)進行對比分析發(fā)現(xiàn)，隨著深度的增加，戈壁土的密度略有增大，含水率基本保持不變，壓縮性略有降低，抗剪強度有所提高。這主要是由于深部土層受到上覆土層的壓力作用，顆粒間的排列更加緊密，從而導致土體的物理力學性質(zhì)發(fā)生相應變化。在水平方向上，不同位置的土層物理力學性質(zhì)也存在一定差異，靠近河流或地下水水位較高的區(qū)域，土層的含水率相對較高，壓縮性和抗剪強度也會受到一定影響。例如，在試驗段靠近河流的一側(cè)，土層含水率達到8%左右，壓縮系數(shù)增大到0.08MPa?1，內(nèi)摩擦角降低到30°左右，這表明地下水對戈壁土地基的物理力學性質(zhì)有顯著影響。3.3.2巖石力學性質(zhì)分析試驗段內(nèi)出露的巖石主要為砂巖和礫巖，對其進行了一系列力學性質(zhì)測試。砂巖的抗壓強度測試結(jié)果顯示，其單軸抗壓強度一般在50-100MPa之間，隨著巖石的風化程度增加，抗壓強度逐漸降低。新鮮砂巖的抗壓強度較高，可達80-100MPa，而強風化砂巖的抗壓強度僅為20-40MPa。砂巖的抗拉強度相對較低，一般在2-5MPa之間，約為抗壓強度的1/20-1/10。礫巖的抗壓強度一般在20-80MPa之間，由于其顆粒間的膠結(jié)程度較差，抗壓強度低于砂巖。其抗拉強度更低，一般在1-3MPa之間。在彈性模量方面，砂巖的彈性模量一般在10-30GPa之間，礫巖的彈性模量一般在5-15GPa之間，這表明砂巖抵抗變形的能力相對較強。巖石的抗剪強度通過直剪試驗和三軸剪切試驗進行測定。直剪試驗得到的砂巖內(nèi)摩擦角一般在30°-40°之間，黏聚力在10-30kPa之間；礫巖的內(nèi)摩擦角在25°-35°之間，黏聚力在5-20kPa之間。三軸剪切試驗得到的抗剪強度參數(shù)與直剪試驗結(jié)果基本相符，但三軸試驗能夠更真實地模擬巖石在復雜應力狀態(tài)下的力學行為。對巖石力學性質(zhì)的分析還考慮了巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造對其力學性質(zhì)的影響。例如，砂巖中存在的層理結(jié)構(gòu)會導致其力學性質(zhì)具有各向異性，平行于層理方向的抗壓強度和抗剪強度一般低于垂直于層理方向。礫巖中礫石的大小、形狀和排列方式也會影響其力學性質(zhì)，礫石粒徑較大且排列緊密的礫巖，其抗壓強度相對較高。3.3.3地基均勻性評價根據(jù)勘察結(jié)果，對戈壁土地基的均勻性進行評價。從地層分布來看，試驗段內(nèi)的地層主要由第四系松散堆積物和基巖組成，第四系堆積物厚度在不同位置存在一定差異，一般在5-15m之間，基巖頂面起伏較大。在第四系堆積物中，戈壁土的顆粒組成和物理力學性質(zhì)在水平方向上存在一定的變化，但總體上變化較為連續(xù)，沒有明顯的突變。通過對勘察點的物理力學性質(zhì)指標進行統(tǒng)計分析，計算變異系數(shù)來評估地基的均勻性。土層的密度、含水率、壓縮性、抗剪強度等指標的變異系數(shù)一般在0.1-0.3之間，表明土層的物理力學性質(zhì)相對較為均勻。然而，在局部區(qū)域，如靠近河流或存在古河道的位置，土層的物理力學性質(zhì)變異系數(shù)較大，達到0.4-0.6之間，說明這些區(qū)域的地基均勻性較差。在基巖方面，雖然試驗段內(nèi)主要巖石類型為砂巖和礫巖，但巖石的風化程度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度在不同位置存在較大差異。通過對巖石抗壓強度、抗拉強度等指標的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)其變異系數(shù)在0.3-0.5之間，表明基巖的力學性質(zhì)均勻性一般。在一些節(jié)理裂隙發(fā)育的區(qū)域，巖石的完整性遭到破壞，力學性質(zhì)變化較大，對地基的均勻性產(chǎn)生不利影響。綜合考慮地層分布、巖土物理力學性質(zhì)以及變異系數(shù)等因素，試驗段戈壁土地基在整體上基本均勻，但在局部區(qū)域存在不均勻現(xiàn)象。在地基設計和處理時，需要針對這些不均勻區(qū)域采取相應的措施，如加強地基處理、調(diào)整基礎設計等，以確保地基的穩(wěn)定性和承載能力滿足高速鐵路建設的要求。對于土層不均勻區(qū)域，可以采用換填、夯實等方法提高地基的均勻性；對于基巖不均勻區(qū)域，可根據(jù)節(jié)理裂隙的發(fā)育情況，采取灌漿、錨桿加固等措施增強基巖的整體性和穩(wěn)定性。四、戈壁土地基物理力學性質(zhì)4.1物理性質(zhì)4.1.1顆粒級配戈壁土的顆粒級配是其重要的物理性質(zhì)之一，對地基的工程性能有著關鍵影響。通過對試驗段采集的戈壁土樣本進行顆粒分析試驗，采用篩分法和比重計法測定其顆粒組成。結(jié)果顯示，戈壁土主要由粗顆粒組成，粒徑大于2mm的礫石含量豐富，占比通常在40%-60%之間。這些礫石形狀不規(guī)則，大小不一，表面較為粗糙，顆粒間的咬合作用較強。粒徑在0.075-2mm之間的砂粒含量次之，約為30%-40%。砂粒的形狀多呈圓形或橢圓形，表面相對光滑，其在戈壁土中起到填充礫石間孔隙的作用。粉粒和黏粒含量較少，總計一般不超過10%。為了更準確地描述戈壁土的顆粒級配特征，計算了不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc。不均勻系數(shù)Cu反映了土顆粒大小的不均勻程度，計算公式為Cu=d60/d10，其中d60表示小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計百分數(shù)為60%時所對應的粒徑，d10表示小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計百分數(shù)為10%時所對應的粒徑。曲率系數(shù)Cc則反映了土顆粒級配曲線的彎曲程度，計算公式為Cc=d302/(d60×d10)，其中d30表示小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計百分數(shù)為30%時所對應的粒徑。經(jīng)計算，試驗段戈壁土的不均勻系數(shù)Cu值較大，一般在10-20之間，表明土顆粒大小分布范圍較廣，粗細顆粒搭配較為合理，級配良好。曲率系數(shù)Cc一般在1-3之間，說明土顆粒級配曲線的彎曲程度適中，不存在粒徑缺失或集中的現(xiàn)象。良好的顆粒級配使得戈壁土具有較好的透水性和穩(wěn)定性。由于粗顆粒含量較高，顆粒間的孔隙較大，地下水能夠在其中快速滲透，不易形成積水，減少了地基受水浸泡而軟化的風險。同時，粗細顆粒的合理搭配使得土體在受力時能夠形成較為穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，增強了地基的承載能力和抗變形能力。例如，在地基承受上部結(jié)構(gòu)荷載時，礫石能夠承擔大部分的豎向荷載，砂粒填充在礫石間的孔隙中，進一步增強了土體的密實度和穩(wěn)定性，使得地基能夠較好地抵抗變形，保障高速鐵路路基的安全穩(wěn)定。4.1.2含水量與密度戈壁地區(qū)氣候干旱，降水稀少，這使得戈壁土的含水量變化規(guī)律具有一定的特殊性。通過對試驗段不同位置和深度的戈壁土樣本進行含水量測定，采用烘干法將土樣在105-110℃條件下烘干至恒重，計算土中水的質(zhì)量與干土質(zhì)量之比，得到含水量數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，戈壁土的含水量普遍較低，一般在2%-6%之間。在水平方向上，靠近河流或地下水水位較高的區(qū)域，含水量相對較高，可達到8%左右；而遠離水源的區(qū)域，含水量則較低，可能低于2%。在垂直方向上，隨著深度的增加，含水量變化較小，基本保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。這是因為戈壁地區(qū)的降水難以滲透到深層土體，且深層土體受到的蒸發(fā)作用較弱，使得含水量相對穩(wěn)定。含水量對戈壁土的密度有著顯著影響。土的密度包括天然密度、干密度和飽和密度。天然密度是指土體單位體積的總質(zhì)量，干密度是指干土的單位體積質(zhì)量，飽和密度是指土孔隙完全被水充滿時的單位體積質(zhì)量。當含水量增加時，土中水分的質(zhì)量增加，使得天然密度增大。同時，含水量的增加會使土顆粒間的潤滑作用增強，在一定程度上減小了土顆粒間的摩擦力，導致土體的干密度減小。例如，當含水量從2%增加到6%時，天然密度可能從2.0g/cm3增大到2.1g/cm3，而干密度可能從1.9g/cm3減小到1.85g/cm3。飽和密度則主要取決于土顆粒的密度和孔隙率，當含水量達到飽和狀態(tài)時，土孔隙完全被水充滿，此時飽和密度相對較大。含水量和密度對地基工程性質(zhì)有著重要影響。含水量較低時，戈壁土顆粒間的摩擦力較大，抗剪強度較高，但土體的可塑性較差，在施工過程中不易壓實。隨著含水量的增加，土體的可塑性增強，有利于施工壓實，但抗剪強度會降低。如果含水量過高，土體可能會處于飽和狀態(tài)，在荷載作用下容易產(chǎn)生較大的變形，甚至發(fā)生液化現(xiàn)象，嚴重影響地基的穩(wěn)定性。密度方面，較高的干密度表示土體較為密實，承載能力較強，壓縮性較低。在高速鐵路地基設計和施工中，需要嚴格控制含水量和密度，通過合理的壓實等措施，使戈壁土地基達到設計要求的密度和強度，以確保高速鐵路路基的穩(wěn)定和安全。4.1.3孔隙比與飽和度孔隙比和飽和度是反映戈壁土物理性質(zhì)的重要指標，對地基的滲透性、壓縮性等工程性質(zhì)有著顯著影響。孔隙比是指土中孔隙體積與土粒體積之比，它表征了土體中孔隙的多少。通過試驗數(shù)據(jù)計算得出，試驗段戈壁土的孔隙比一般在0.4-0.6之間。由于戈壁土主要由粗顆粒組成，顆粒間的孔隙相對較大，使得孔隙比較大。在顆粒級配良好的情況下，細顆粒能夠填充在粗顆粒的孔隙中，使得孔隙比相對減小。例如，當?shù)[石和砂粒的搭配較為合理時，孔隙比可能會降低到0.45左右。飽和度是指土中水填充孔隙的程度，定義為孔隙中水的體積與總孔隙體積之比，取值范圍為0-100%。戈壁地區(qū)氣候干旱，地下水水位較低，使得戈壁土的飽和度普遍較低，一般在30%-50%之間。在靠近水源或地下水水位較高的區(qū)域，飽和度可能會增大到70%左右。飽和度對地基的滲透性有著重要影響，當飽和度較低時，土中孔隙主要被空氣填充，水分在孔隙中的流動阻力較小，地基的滲透性較強。隨著飽和度的增加，土中孔隙逐漸被水填充，水分流動的通道減小，滲透性逐漸降低。當飽和度達到飽和狀態(tài)時，地基的滲透性最小?？紫侗群惋柡投葘Φ鼗膲嚎s性也有重要影響?？紫侗仍酱?，土體越疏松，在荷載作用下，土顆粒間的相對移動和重新排列的空間越大，地基的壓縮性越高。例如，孔隙比為0.6的戈壁土在相同荷載作用下，其壓縮變形量可能比孔隙比為0.4的戈壁土大。飽和度的增加會使土顆粒間的有效應力減小，導致土體的抗剪強度降低，在荷載作用下更容易發(fā)生壓縮變形。在高速鐵路地基設計中，需要考慮孔隙比和飽和度對地基壓縮性的影響，合理選擇地基處理方法，如采用強夯等方法減小孔隙比，提高地基的密實度，降低壓縮性，以滿足高速鐵路對地基變形的嚴格要求。4.2力學性質(zhì)4.2.1壓縮性通過室內(nèi)壓縮試驗測定戈壁土的壓縮系數(shù)和壓縮模量，以分析其壓縮特性和變形規(guī)律。壓縮試驗采用標準固結(jié)儀，將采集的戈壁土樣制備成一定尺寸的環(huán)刀樣，放入固結(jié)儀中，逐級施加豎向壓力，記錄不同壓力下土樣的變形量。試驗過程中，按照《土工試驗方法標準》（GB/T50123-2019）的要求進行操作，確保試驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。試驗結(jié)果表明，戈壁土的壓縮系數(shù)較小，一般在0.01-0.05MPa?1之間，屬于低壓縮性土。這是由于戈壁土主要由粗顆粒組成，顆粒間的骨架結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，在荷載作用下，土顆粒不易發(fā)生相對移動和重新排列，從而表現(xiàn)出較低的壓縮性。隨著壓力的增加，壓縮系數(shù)逐漸減小，說明戈壁土的壓縮性隨著壓力的增大而降低。例如，在壓力從100kPa增加到200kPa時，壓縮系數(shù)可能從0.03MPa?1減小到0.02MPa?1。壓縮模量是反映土體抵抗壓縮變形能力的重要指標，戈壁土的壓縮模量較大，一般在20-50MPa之間。較高的壓縮模量意味著戈壁土在荷載作用下具有較強的抵抗壓縮變形的能力，能夠較好地保持其原有形狀和結(jié)構(gòu)。在實際工程中，較高的壓縮模量有利于減少地基的沉降變形，保證高速鐵路路基的穩(wěn)定性。通過對不同顆粒級配和含水量的戈壁土樣進行壓縮試驗，分析其壓縮特性的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，顆粒級配良好的戈壁土，其壓縮系數(shù)相對較小，壓縮模量相對較大。這是因為良好的顆粒級配使得土顆粒能夠相互嵌鎖，形成更穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，從而提高了土體的抗壓縮能力。含水量對戈壁土的壓縮性也有一定影響，當含水量增加時，土顆粒間的潤滑作用增強，顆粒間的摩擦力減小，壓縮系數(shù)略有增大，壓縮模量略有減小。但由于戈壁土本身含水量較低，這種影響相對較小。例如，當含水量從4%增加到6%時，壓縮系數(shù)可能從0.03MPa?1增大到0.035MPa?1，壓縮模量可能從30MPa減小到28MPa。4.2.2抗剪強度采用直剪試驗和三軸剪切試驗研究戈壁土的內(nèi)摩擦角、黏聚力等抗剪強度指標，分析其在不同應力狀態(tài)下的抗剪性能。直剪試驗是將戈壁土樣放入直剪儀中，在不同的垂直壓力下，施加水平剪切力，直至土樣發(fā)生剪切破壞，記錄破壞時的剪應力和垂直壓力，從而計算出內(nèi)摩擦角和黏聚力。三軸剪切試驗則是將土樣裝入三軸儀的壓力室中，先施加周圍壓力，然后逐漸增加軸向壓力，使土樣在三向應力狀態(tài)下發(fā)生剪切破壞，通過測量破壞時的主應力差和孔隙水壓力等參數(shù)，計算內(nèi)摩擦角和黏聚力。兩種試驗均按照相關標準規(guī)范進行操作。試驗結(jié)果顯示，戈壁土的內(nèi)摩擦角較大，一般在35°-45°之間，黏聚力較小，一般在5-15kPa之間。較大的內(nèi)摩擦角表明戈壁土顆粒間的摩擦力較大，抵抗剪切變形的能力較強。這主要是由于戈壁土的粗顆粒表面粗糙，顆粒間的咬合作用明顯，在剪切過程中，需要克服較大的摩擦力才能使顆粒發(fā)生相對滑動。較小的黏聚力則說明戈壁土顆粒間的連接較弱，主要依靠摩擦力來維持土體的穩(wěn)定性。在不同應力狀態(tài)下，戈壁土的抗剪性能表現(xiàn)出一定的差異。在低圍壓下，內(nèi)摩擦角對土體抗剪強度的貢獻較大，隨著圍壓的增加，內(nèi)摩擦角的作用逐漸減小，而黏聚力的影響相對增大。例如，在圍壓為50kPa時，內(nèi)摩擦角對土體抗剪強度的貢獻約占80%，而當圍壓增加到200kPa時，內(nèi)摩擦角的貢獻降至60%左右。這是因為在低圍壓下，土體主要依靠顆粒間的摩擦力來抵抗剪切變形，而在高圍壓下，土體的密實度增加，顆粒間的接觸更為緊密，黏聚力的作用相對增強。分析含水量、干密度等因素對戈壁土抗剪強度的影響。含水量增加時，戈壁土的內(nèi)摩擦角和黏聚力均有所降低。這是因為水分的增加使土顆粒間的潤滑作用增強，摩擦力減小，同時水分占據(jù)了部分顆粒間的空隙，削弱了顆粒間的連接，導致黏聚力下降。干密度增大時，內(nèi)摩擦角和黏聚力都有不同程度的提高。較高的干密度意味著土體更加密實，顆粒間的接觸面積增大，咬合作用增強，從而提高了土體的抗剪強度。例如，當干密度從1.8g/cm3增加到2.0g/cm3時，內(nèi)摩擦角可能從35°增大到40°，黏聚力可能從10kPa增大到15kPa。4.2.3承載能力采用原位測試和理論計算相結(jié)合的方法，確定戈壁土地基的承載能力，并分析影響承載能力的因素。原位測試主要采用平板載荷試驗，在試驗場地選取代表性的位置，將一定尺寸的剛性承壓板放置在地基表面，通過千斤頂逐級施加豎向荷載，測量承壓板的沉降量，繪制荷載-沉降曲線。根據(jù)曲線的特征，按照相關規(guī)范確定地基的承載力特征值。理論計算則根據(jù)土力學中的地基承載力理論，如太沙基公式、漢森公式等，結(jié)合戈壁土的物理力學性質(zhì)指標，計算地基的極限承載力和容許承載力。太沙基公式考慮了基礎的形狀、埋深、土的重度、內(nèi)摩擦角和黏聚力等因素，通過對這些參數(shù)的合理取值，可以計算出地基的極限承載力。漢森公式則在太沙基公式的基礎上，進一步考慮了基礎形狀、荷載傾斜、地基土的壓縮性等因素對承載力的影響。試驗和計算結(jié)果表明，戈壁土地基的承載能力主要受土的物理力學性質(zhì)、基礎尺寸和埋深等因素的影響。土的內(nèi)摩擦角和黏聚力越大，地基的承載能力越高。因為內(nèi)摩擦角和黏聚力反映了土體抵抗剪切破壞的能力，較大的內(nèi)摩擦角和黏聚力能夠使地基在承受荷載時更不易發(fā)生剪切破壞，從而提高承載能力?；A的尺寸和埋深也對承載能力有重要影響，基礎寬度越大，埋深越深，地基的承載能力越高。這是因為基礎寬度的增加可以分散荷載，減小地基表面的壓力；基礎埋深的增加則使地基受到上覆土層的約束，提高了地基的穩(wěn)定性。例如，當基礎寬度從2m增加到3m時，地基的承載能力可能提高20%左右；當基礎埋深從1m增加到2m時，承載能力可能提高30%左右。此外，地基的壓實度和處理方式也會影響承載能力。經(jīng)過壓實處理的戈壁土地基，其密實度增加，顆粒間的接觸更為緊密，承載能力得到顯著提高。采用合適的地基處理方法，如強夯法、換填法等，也可以改善地基的物理力學性質(zhì)，提高承載能力。例如，通過強夯處理后，戈壁土地基的承載能力可提高50%-100%，滿足高速鐵路對地基承載能力的嚴格要求。五、戈壁土地基動力特性5.1動力特性試驗研究5.1.1振動臺試驗振動臺試驗是研究戈壁土地基動力特性的重要手段之一，其原理基于動力學和結(jié)構(gòu)動力學理論。通過振動臺模擬不同的振動激勵，來觀測戈壁土試樣在振動過程中的動力響應，進而分析其動力特性。在試驗方法上，首先根據(jù)研究目的和要求，設計并制作合適的戈壁土試樣。一般采用現(xiàn)場采集的戈壁土，經(jīng)過篩分、級配調(diào)整等處理，使其滿足試驗要求。將制備好的試樣放置在振動臺上，采用合適的固定裝置，確保試樣在振動過程中與振動臺緊密連接，避免出現(xiàn)相對滑動或位移。在試驗過程中，使用加速度傳感器、位移傳感器等設備，實時測量試樣在振動過程中的加速度、位移等參數(shù)。本次試驗的具體過程如下：首先，對振動臺進行調(diào)試和校準，確保其能夠準確地輸出設定的振動頻率和振幅。將戈壁土試樣安裝在振動臺上，設置初始的振動頻率為5Hz，振幅為0.1g（g為重力加速度），進行預振動，以消除試樣內(nèi)部的初始應力和孔隙水壓力的影響。然后，按照預定的試驗方案，逐步增加振動頻率和振幅。在每個振動工況下，保持振動一段時間，待試樣的動力響應達到穩(wěn)定狀態(tài)后，采集加速度、位移等數(shù)據(jù)。例如，依次將振動頻率增加到10Hz、15Hz、20Hz，振幅分別增加到0.2g、0.3g、0.4g，記錄每個工況下的數(shù)據(jù)。分析戈壁土在不同振動頻率、振幅下的動力響應。隨著振動頻率的增加，戈壁土的加速度響應逐漸增大，這是因為振動頻率的增加使得土體顆粒的振動速度加快，慣性力增大。當振動頻率從5Hz增加到20Hz時，加速度響應可能會增大數(shù)倍。而振幅的增加也會導致加速度響應顯著增大，且振幅對加速度響應的影響更為明顯。在振幅從0.1g增加到0.4g的過程中，加速度響應的增長幅度可能比振動頻率增加時更大。位移響應方面，隨著振動頻率和振幅的增加，戈壁土的位移響應也逐漸增大。但在不同的頻率和振幅組合下，位移響應的變化規(guī)律較為復雜。在低頻高振幅的情況下，位移響應可能會出現(xiàn)較大的增長；而在高頻低振幅時，位移響應的增長相對較小。例如，在5Hz、0.4g的工況下，位移響應可能比20Hz、0.2g的工況下大。通過對這些動力響應的分析，可以深入了解戈壁土地基在不同振動條件下的動力特性，為高速鐵路的抗震設計和安全評估提供重要依據(jù)。5.1.2動三軸試驗動三軸試驗的目的是研究戈壁土在循環(huán)荷載作用下的動力特性，包括動強度、動模量、阻尼比等重要參數(shù)，這些參數(shù)對于評估戈壁土地基在列車動荷載等循環(huán)作用下的穩(wěn)定性和變形特性具有關鍵意義。試驗方法采用應變控制式動三軸儀，將戈壁土制備成圓柱形試樣，其直徑一般為39.1mm，高度為80mm。首先對試樣進行飽和處理，以模擬實際工程中地基土的飽和狀態(tài)，提高試驗的真實性。在試驗過程中，先對試樣施加一定的圍壓，模擬地基土在實際工程中的側(cè)向壓力。然后，施加軸向動荷載，動荷載一般采用正弦波形式，通過控制動荷載的幅值和頻率，來模擬不同的循環(huán)荷載工況。在每個工況下，記錄試樣在循環(huán)荷載作用下的應力、應變和孔隙水壓力等數(shù)據(jù)。通過試驗，研究戈壁土在循環(huán)荷載作用下的動強度、動模量、阻尼比等動力特性參數(shù)。動強度是指土體在循環(huán)荷載作用下抵抗破壞的能力。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，戈壁土的動強度逐漸降低。這是因為在循環(huán)荷載的反復作用下，土體顆粒間的結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，顆粒間的摩擦力和咬合力減小，導致土體的抗剪強度降低。例如，當循環(huán)次數(shù)從10次增加到100次時，動強度可能會降低30%-50%。動模量是指土體在動荷載作用下的應力與應變之比，反映了土體抵抗變形的能力。隨著動應變的增加，動模量逐漸減小。這是因為動應變的增大使得土體顆粒間的相對位移增大，土體結(jié)構(gòu)的損傷加劇，從而降低了土體的剛度。阻尼比則是反映土體在振動過程中能量耗散的指標。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，阻尼比逐漸增大。這是因為在循環(huán)荷載作用下，土體內(nèi)部的摩擦和黏滯作用增強，能量耗散加快，導致阻尼比增大。例如，在循環(huán)次數(shù)為10次時，阻尼比可能為0.05，而當循環(huán)次數(shù)增加到100次時，阻尼比可能增大到0.15。通過對這些動力特性參數(shù)的研究，可以全面了解戈壁土地基在循環(huán)荷載作用下的力學行為，為高速鐵路的地基設計和長期穩(wěn)定性分析提供科學依據(jù)。5.2動力特性參數(shù)分析通過振動臺試驗和動三軸試驗，獲取了戈壁土的動力特性參數(shù)，進一步深入分析這些參數(shù)的變化規(guī)律，對于理解戈壁土地基在動荷載作用下的力學行為具有重要意義。在動模量隨應變的變化關系方面，研究結(jié)果顯示，隨著動應變的增加，戈壁土的動模量呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。當動應變較小時，動模量下降較為緩慢，這是因為在小應變階段，土體顆粒間的結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，顆粒間的摩擦力和咬合力能夠較好地抵抗變形，使得土體具有較高的剛度。隨著動應變的逐漸增大，土體顆粒間的結(jié)構(gòu)開始逐漸被破壞，顆粒間的相對位移增大，土顆粒之間的連接變?nèi)?，導致動模量快速下降。例如，當動應變?.01%增加到0.1%時，動模量可能從初始值的90%下降到70%左右；而動應變從0.1%增加到1%時，動模量可能會進一步下降到50%左右。這種變化規(guī)律表明，在高速鐵路列車動荷載作用下，當動應變較小時，戈壁土地基能夠較好地保持其剛度，為列車運行提供穩(wěn)定的支撐；但隨著動荷載的持續(xù)作用，動應變不斷增大，地基的剛度會逐漸降低，可能導致地基變形增大，影響列車運行的平穩(wěn)性。阻尼比與振動頻率的關系較為復雜。在低頻范圍內(nèi)，阻尼比隨著振動頻率的增加而略有增大。這是因為在低頻振動時，土體內(nèi)部的能量耗散主要以顆粒間的摩擦和黏滯作用為主，隨著振動頻率的增加，顆粒間的相對運動加劇，摩擦和黏滯作用增強，使得能量耗散加快，阻尼比增大。在高頻范圍內(nèi)，阻尼比則隨著振動頻率的增加而逐漸減小。這是由于在高頻振動下，土體的響應速度較快，來不及充分耗散能量，導致阻尼比降低。例如，當振動頻率從5Hz增加到10Hz時，阻尼比可能從0.08增大到0.1；而當振動頻率從20Hz增加到30Hz時，阻尼比可能從0.12減小到0.1。這種變化規(guī)律對于高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的設計具有重要指導意義，在軌道結(jié)構(gòu)設計中，需要根據(jù)列車運行的振動頻率范圍，合理考慮地基阻尼比的影響，以優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)的減振性能，減少振動對列車運行和周邊環(huán)境的影響。動強度與循環(huán)次數(shù)之間也存在明顯的變化規(guī)律。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，戈壁土的動強度逐漸降低。在循環(huán)荷載的反復作用下，土體顆粒間的結(jié)構(gòu)不斷被破壞，顆粒間的摩擦力和咬合力逐漸減小，導致土體的抗剪強度降低。當循環(huán)次數(shù)達到一定程度時，動強度可能會急劇下降，土體出現(xiàn)破壞跡象。例如，在循環(huán)次數(shù)為50次時，動強度可能為初始動強度的80%；而當循環(huán)次數(shù)增加到150次時，動強度可能降低到初始動強度的50%以下。這表明在高速鐵路長期運營過程中，由于列車動荷載的反復作用，戈壁土地基的動強度會逐漸衰減，需要對地基的長期穩(wěn)定性進行密切監(jiān)測和評估，采取相應的加固措施，以確保地基能夠持續(xù)滿足高速鐵路的承載要求。5.3地震作用下地基響應分析利用數(shù)值模擬方法，采用有限元軟件ABAQUS建立戈壁土地基的三維數(shù)值模型，分析戈壁土地基在地震作用下的加速度、位移、應力等響應，評估地基的抗震穩(wěn)定性。在模型建立過程中，充分考慮戈壁土的物理力學性質(zhì)和動力特性參數(shù)。根據(jù)前期的試驗研究結(jié)果，確定戈壁土的密度、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、黏聚力等物理力學參數(shù)，以及動模量、阻尼比等動力特性參數(shù)。例如，將戈壁土的密度設置為2.0g/cm3，彈性模量為30MPa，泊松比為0.3，內(nèi)摩擦角為38°，黏聚力為10kPa。動力特性參數(shù)方面，根據(jù)動三軸試驗得到的動模量和阻尼比與應變、頻率的關系，在數(shù)值模型中進行合理的設置。模型邊界條件的處理對于準確模擬地震作用下的地基響應至關重要。在模型的底部，采用固定邊界條件，限制地基在x、y、z三個方向的位移，模擬地基與基巖的剛性連接。在模型的側(cè)面，采用黏彈性人工邊界條件，以模擬無限地基的輻射阻尼效應，減少邊界反射對計算結(jié)果的影響。通過在邊界上設置黏彈性材料，將邊界上的波動能量以阻尼的形式耗散掉，使模型能夠更真實地反映實際地基在地震作用下的波動傳播情況。地震波的輸入是數(shù)值模擬的關鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)戈壁地區(qū)的地震地質(zhì)條件和歷史地震記錄，選擇合適的地震波。常見的地震波有El-Centro波、Taft波等，本研究根據(jù)戈壁地區(qū)的地震特性，選擇了與該地區(qū)地震頻譜特性相匹配的地震波。對地震波進行處理，調(diào)整其幅值和頻率，使其符合戈壁地區(qū)的設計地震動參數(shù)。例如，根據(jù)該地區(qū)的抗震設防烈度和設計基本地震加速度，將所選地震波的幅值調(diào)整為0.2g，以模擬該地區(qū)可能發(fā)生的中等強度地震。在數(shù)值模擬過程中，設置不同的地震工況，如不同的地震波輸入方向、不同的地震強度等，分析戈壁土地基在不同工況下的加速度、位移、應力響應。在地震波水平輸入工況下，分析地基水平方向的加速度響應。結(jié)果顯示，在地震波的作用下，地基表面的加速度響應較大，隨著深度的增加，加速度逐漸減小。當?shù)卣鸩ǚ禐?.2g時，地基表面的水平加速度峰值可達0.3g左右，而在深度5m處，加速度峰值減小到0.15g左右。這表明地震作用對地基表面的影響更為顯著，隨著深度的增加，地震波的能量逐漸衰減。位移響應方面，在地震作用下，地基會產(chǎn)生水平和豎向的位移。水平位移隨著深度的增加而逐漸減小，在地基表面，水平位移較大，可能達到幾厘米，而在深度10m處，水平位移減小到幾毫米。豎向位移則在地基表面也有一定的表現(xiàn)，隨著深度的增加，豎向位移逐漸減小。在強震作用下，地基表面的豎向位移可能達到1-2厘米，這對于高速鐵路的軌道結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生一定的影響，需要在設計中予以考慮。應力響應分析表明，在地震作用下，地基中的應力分布發(fā)生明顯變化。在地基表面，剪應力和正應力都較大，隨著深度的增加，應力逐漸減小。在地震波的作用下，地基表面的剪應力峰值可達50-80kPa，正應力峰值可達100-150kPa。這些應力的變化可能會導致地基土體的破壞和變形，尤其是在應力集中的區(qū)域，如地基與基礎的接觸部位，需要特別關注其應力狀態(tài)，采取相應的加固措施，以提高地基的抗震穩(wěn)定性。通過對戈壁土地基在地震作用下的加速度、位移、應力等響應的分析，評估地基的抗震穩(wěn)定性。根據(jù)相關的抗震規(guī)范和標準，判斷地基在不同地震工況下是否滿足抗震要求。如果地基的加速度響應、位移響應和應力響應超過了規(guī)范規(guī)定的限值，則需要采取相應的抗震加固措施，如地基加固、增加基礎的剛度等，以提高地基的抗震能力，確保高速鐵路在地震作用下的安全運行。六、戈壁土地基工程性質(zhì)6.1濕陷性6.1.1濕陷性試驗為準確判斷戈壁土是否具有濕陷性，采用浸水載荷試驗這一常用且有效的方法。該試驗依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001，2009年版）中關于濕陷性土現(xiàn)場試驗的相關規(guī)定進行。試驗前，精心選擇具有代表性的場地，確保試驗結(jié)果能真實反映戈壁土地基的特性。在試驗場地，按照規(guī)范要求，仔細開挖一個試坑，試坑的尺寸嚴格控制，邊長為承壓板邊長的3倍，以保證試驗過程中土體的邊界條件符合要求。在試坑底部，放置一塊面積為0.5m2的剛性承壓板，承壓板應放置平穩(wěn)，確保其與地基土緊密接觸，以準確傳遞荷載。在承壓板上，安裝高精度的壓力傳感器和位移傳感器，壓力傳感器用于精確測量施加的荷載大小，位移傳感器則用于實時監(jiān)測承壓板的沉降位移，確保數(shù)據(jù)的準確性。試驗過程中，采用分級加載的方式，每級荷載增量控制在25kPa，加載過程緩慢且均勻，以避免對地基土造成過大的沖擊。在每級荷載施加后，耐心等待地基土的沉降達到穩(wěn)定狀態(tài)，沉降穩(wěn)定標準設定為每小時的沉降量不超過0.1mm。當荷載逐級增加至預定的試驗終止壓力后，保持荷載穩(wěn)定，然后開始向試坑內(nèi)緩慢注水，使地基土充分浸水飽和。在浸水過程中，密切監(jiān)測承壓板的沉降變化，記錄不同時間點的沉降數(shù)據(jù)。通過對試驗數(shù)據(jù)的深入分析，判斷戈壁土是否具有濕陷性。若在浸水后，地基土的沉降量顯著增加，且濕陷量與承壓板寬度之比大于或等于0.023，則判定該戈壁土具有濕陷性。例如，在某次試驗中，承壓板寬度為0.707m，浸水后地基土的濕陷量達到16.2mm，濕陷量與承壓板寬度之比為0.023，滿足濕陷性判定標準，因此可判定該試驗點的戈壁土具有濕陷性。除浸水載荷試驗外，還可結(jié)合室內(nèi)壓縮試驗進一步驗證戈壁土的濕陷性。室內(nèi)壓縮試驗按照《土工試驗方法標準》（GB/T50123-2019）進行，將采集的戈壁土樣制成標準環(huán)刀試樣，在不同壓力下進行壓縮試驗，測定濕陷系數(shù)。當濕陷系數(shù)大于0.015時，可判定該土樣具有濕陷性。通過多種試驗方法的綜合運用，能更全面、準確地判斷戈壁土的濕陷性。6.1.2濕陷性評價與影響因素戈壁土濕陷性的評價指標主要包括濕陷系數(shù)、自重濕陷系數(shù)等。濕陷系數(shù)是指單位厚度的土樣在一定壓力下浸水飽和后所產(chǎn)生的濕陷變形量，它直觀地反映了土樣在浸水后的濕陷程度，計算公式為\delta_{s}=\frac{\Deltah_{s}}{h_{0}}，其中\(zhòng)Deltah_{s}為土樣浸水后的濕陷變形量，h_{0}為土樣的原始厚度。當濕陷系數(shù)\delta_{s}\geq0.015時，判定該土層為濕陷性土。自重濕陷系數(shù)則是指土樣在自重壓力下浸水飽和后所產(chǎn)生的濕陷變形量與土樣原始厚度之比，用于評價土體在自重作用下的濕陷特性，計算公式為\delta_{zs}=\frac{\Deltah_{zs}}{h_{0}}，其中\(zhòng)Deltah_{zs}為土樣在自重壓力下浸水后的濕陷變形量。當自重濕陷系數(shù)\delta_{zs}\geq0.015時，判定該土層為自重濕陷性土。影響戈壁土濕陷性的因素眾多，土的顆粒組成是其中一個重要因素。戈壁土主要由粗顆粒的礫石、砂粒以及少量的粉粒和黏粒組成。當粗顆粒含量較高時，土顆粒間的孔隙較大，結(jié)構(gòu)相對疏松，在浸水后，水分容易進入孔隙，導致土顆粒間的連接被削弱，從而使土體發(fā)生濕陷變形。相反，若細顆粒含量相對較多，土顆粒間的排列相對緊密，孔隙較小，濕陷性則相對較弱。例如，在顆粒分析試驗中，某戈壁土樣中礫石和砂粒含量之和達到80%，其濕陷系數(shù)為0.03，表現(xiàn)出較強的濕陷性；而另一個土樣中細顆粒含量相對較高，濕陷系數(shù)僅為0.012，濕陷性較弱。含水量對戈壁土濕陷性的影響也十分顯著。當含水量較低時，土顆粒間的摩擦力較大，土體結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。隨著含水量的增加，土顆粒間的潤滑作用增強，摩擦力減小，土體結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定。在浸水過程中，含水量的增加會使土顆粒間的有效應力減小，導致土體發(fā)生濕陷變形。研究表明，當含水量達到一定程度時，濕陷系數(shù)會急劇增大。例如，當含水量從5%增加到10%時，濕陷系數(shù)可能從0.018增大到0.035。壓實度同樣對濕陷性有著重要影響。壓實度較高的戈壁土，土顆粒間的排列緊密，孔隙較小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在相同的浸水條件下，壓實度高的土體濕陷性相對較小。通過現(xiàn)場壓實試驗和濕陷性試驗對比發(fā)現(xiàn)，壓實度為95%的戈壁土樣，其濕陷系數(shù)為0.016；而壓實度為90%的土樣，濕陷系數(shù)增大到0.022。這表明提高戈壁土的壓實度可以有效降低其濕陷性，在工程實踐中，應嚴格控制戈壁土地基的壓實度，以減少濕陷性對工程的影響。6.2凍脹性6.2.1凍脹性試驗凍脹性試驗旨在測定戈壁土在凍結(jié)過程中的凍脹量、凍脹力等關鍵參數(shù)，為評估戈壁土地基的凍脹特性提供數(shù)據(jù)支持。其原理基于土體在凍結(jié)過程中，孔隙中的水分結(jié)冰體積膨脹，從而產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。當土體溫度降至冰點以下時，土中的水分開始結(jié)晶，冰晶的生長會對周圍土體顆粒產(chǎn)生擠壓作用，導致土體體積增大，進而產(chǎn)生凍脹量和凍脹力。試驗過程嚴格遵循相關標準規(guī)范進行。首先，精心制備戈壁土試樣，從現(xiàn)場采集具有代表性的戈壁土，經(jīng)過篩分、調(diào)配等處理，使其顆粒組成和含水率符合試驗要求。將制備好的試樣放入特制的凍脹試驗裝置中，該裝置通常由恒溫冷凍箱、壓力傳感器、位移傳感器等部分組成。在試驗開始前，對裝置進行校準和調(diào)試，確保各傳感器的測量精度滿足要求。將試樣放入恒溫冷凍箱中，按照預定的降溫速率逐漸降低溫度，模擬實際工程中的凍結(jié)過程。在降溫過程中，利用位移傳感器實時監(jiān)測試樣的豎向變形，即凍脹量；通過壓力傳感器測量試樣對周圍約束結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓力，即凍脹力。為了研究不同因素對凍脹性的影響，設置多組對比試驗?？刂坪室蛩貢r，制備含水率分別為5%、8%、10%的戈壁土試樣，在相同的凍結(jié)條件下進行試驗。結(jié)果表明，隨著含水率的增加，凍脹量和凍脹力顯著增大。當含水率從5%增加到10%時，凍脹量可能從5mm增大到15mm，凍脹力可能從50kPa增大到150kPa。在研究干密度的影響時，制備干密度分別為1.8g/cm3、1.9g/cm3、2.0g/cm3的試樣進行試驗。發(fā)現(xiàn)干密度越大，凍脹量和凍脹力越小。因為干密度較大的土體顆粒排列緊密，孔隙較小，水分含量相對較少，在凍結(jié)過程中產(chǎn)生的凍脹變形也就較小。通過這樣的試驗方法和多組對比試驗，能夠全面、準確地獲取戈壁土在不同條件下的凍脹特性參數(shù)，為后續(xù)的凍脹性評價和防治措施的