戈壁地区高速铁路地基特性与工程适应性研究

戈壁地区高速铁路地基特性与工程适应性研究一、引言1.1研究背景与意义随着我国经济的快速发展和城市化进程的加速，基础设施建设不断推进，高速铁路作为现代交通运输的重要组成部分，其建设对于促进区域经济发展、加强地区间联系具有重要意义。在我国广袤的西北地区，分布着大量的戈壁区域，这些地区的土地基特性与其他地区存在显著差异，为高速铁路的建设带来了诸多挑战。戈壁地区通常具有干旱少雨、风沙大、温差大等特点，其土地基主要由粗颗粒的砂、砾石等组成，颗粒间的黏聚力较小，结构性较差。这种特殊的地质条件使得戈壁土地基在承载能力、变形特性、稳定性等方面表现出与一般地基不同的性质。在高速铁路建设中，列车运行时会产生较大的动荷载，对地基的强度和稳定性提出了很高的要求。若地基处理不当，可能导致路基沉降、变形过大，影响列车的安全平稳运行，增加后期维护成本，甚至危及行车安全。研究戈壁土地基特性对于保障高速铁路在戈壁地区的建设和运营具有至关重要的意义。准确了解戈壁土地基的物理力学性质，如颗粒组成、密度、含水率、压缩性、抗剪强度等，有助于合理选择地基处理方法和设计参数，确保地基能够满足高速铁路对承载能力和变形控制的要求。深入研究戈壁土地基在动荷载作用下的动力响应特性，如振动特性、动应力分布、动变形规律等，可以为高速铁路的轨道结构设计和列车运行安全性评估提供科学依据，有效减少因地基振动而引起的轨道不平顺和列车运行故障。通过对戈壁土地基特性的研究，还可以为戈壁地区高速铁路的建设提供技术支持和经验借鉴，推动我国基础设施建设向更广阔的区域拓展，促进区域经济的协调发展，对于实现我国“一带一路”倡议，加强与沿线国家的互联互通也具有重要的战略意义。1.2国内外研究现状在地基特性研究领域，国内外学者已取得了丰硕的成果。对于一般地基，研究涵盖了土体的物理力学性质、变形特性、强度理论等多个方面，形成了较为完善的理论体系。而针对戈壁土地基特性的研究，虽也有一定进展，但相较于一般地基仍显不足。国外在戈壁土地基研究方面，部分学者对戈壁地区的地质成因和土壤特性进行了分析。美国学者通过对沙漠地区土壤的研究，指出粗颗粒土壤的颗粒级配、矿物成分对其工程性质有显著影响，但针对戈壁土地基在高速铁路建设中的特殊要求和应用研究较少。欧洲一些国家在类似干旱地区的基础设施建设中，积累了一定的地基处理经验，如采用特殊的压实技术和地基加固方法来提高地基的承载能力，但这些经验在戈壁地区的适用性有待进一步验证，因为戈壁土地基的颗粒组成、气候条件等与欧洲干旱地区存在差异。国内对于戈壁土地基特性的研究主要围绕兰新铁路第二双线等工程展开。薛晖针对兰新铁路第二双线新疆段戈壁区路基试验段工程，分析了含水率、颗粒组成、物质组成成分、含盐量4个因素对戈壁土地基沉降的影响，通过荷载-沉降曲线得出含水率对戈壁土变形的影响程度，为戈壁地区无砟轨道铁路路基的设计及工程实践提供了依据。王飞等论述了戈壁地区的地基处理、路基防风、路基填料设计及施工工艺、路基边坡防护等关键技术问题，并提出应对措施，为兰新铁路第二双线高速铁路建设提供借鉴。在高速铁路地基处理技术方面，国内外已发展了多种方法，如强夯法、排水固结法、复合地基法等。强夯法通过重锤夯击地基，提高地基的密实度和承载力，在国内外的铁路、公路等工程中得到广泛应用。排水固结法通过设置排水体，加速地基土的排水固结，减少地基沉降，适用于软土地基等。复合地基法则是通过在地基中设置增强体，如桩体等，与地基土共同承担荷载，提高地基的承载能力和稳定性。然而，这些传统的地基处理方法在戈壁土地基中的应用效果和适应性还需进一步研究。戈壁土地基的颗粒组成、渗透性等与一般地基不同，可能导致传统处理方法的作用机理和效果发生变化。当前研究仍存在一些不足。对戈壁土地基的动力特性研究相对较少，尤其是在高速铁路列车动荷载长期作用下，戈壁土地基的动力响应规律、疲劳特性等方面的研究还不够深入，无法为高速铁路的轨道结构设计和长期运营安全提供充分的理论支持。戈壁土地基在复杂环境条件下，如干湿循环、温度变化、风沙侵蚀等，其物理力学性质的演变规律研究不够系统，这对于高速铁路地基的耐久性评估和长期稳定性分析至关重要。不同地基处理方法在戈壁土地基中的作用机制和优化设计研究还不够完善，缺乏针对戈壁土地基特性的专用地基处理技术和设计规范，导致在实际工程中地基处理方案的选择和设计存在一定的盲目性。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究将围绕高速铁路戈壁土地基特性展开多方面深入探索，具体内容如下：戈壁地区土地基地质条件的调查与分析：全面收集戈壁地区的地质资料，涵盖地层分布、岩性特征、地质构造等。运用地质测绘、地球物理勘探等手段，详细查明戈壁土地基的地质结构和岩土体分布规律。深入分析戈壁地区的地质成因，探究其对土地基特性的影响机制。例如，研究戈壁土的形成过程中，风力搬运、堆积作用以及长期的干旱气候条件对土体颗粒组成、矿物成分和结构的塑造，从而为后续研究提供地质背景依据。戈壁地区土地基物理力学性质的实验研究：通过现场采样和室内试验，系统测定戈壁土的基本物理性质指标，包括颗粒级配、密度、含水率、孔隙比等。开展戈壁土的力学性质试验，如压缩试验，获取压缩系数、压缩模量等参数，以评估其压缩性；进行直剪试验和三轴剪切试验，测定内摩擦角和黏聚力，分析其抗剪强度特性。研究不同含水率、干密度等因素对戈壁土物理力学性质的影响规律，为地基设计和处理提供基础数据。例如，通过控制变量法，设置不同含水率和干密度的试验组，对比分析其对戈壁土抗剪强度的影响，明确各因素的影响程度和作用机制。戈壁地区土地基动力特性的试验研究：利用振动台试验、动力触探试验等方法，研究戈壁土地基在动荷载作用下的动力响应特性，包括振动特性、动应力分布、动变形规律等。分析列车动荷载的频率、幅值等参数对戈壁土地基动力特性的影响，建立动力响应模型。探究戈壁土地基的动力稳定性，评估在长期动荷载作用下地基发生液化、震陷等破坏的可能性，为高速铁路轨道结构设计和列车运行安全性提供动力参数支持。戈壁地区土地基工程性质的试验研究：开展现场载荷试验，确定戈壁土地基的承载力特征值和变形模量，评估其承载能力和变形性能。研究戈壁土地基在不同荷载水平和加载方式下的沉降变形规律，分析地基沉降的组成和发展过程。结合工程实际，考虑上部结构的类型和荷载分布，研究戈壁土地基与上部结构的相互作用机制，为地基与基础的协同设计提供依据。高速铁路在戈壁地区的特殊地形与环境对土地基的影响研究：分析戈壁地区的特殊地形，如沙丘、冲沟等，对高速铁路土地基稳定性和变形的影响。研究戈壁地区的恶劣环境条件，包括干旱、风沙、温差大等，对戈壁土地基物理力学性质的长期作用效应。例如，研究风沙侵蚀对戈壁土颗粒结构的破坏作用，以及干湿循环和温度变化对土体强度和变形特性的影响，提出相应的防护措施和设计建议，以保障高速铁路地基在复杂环境下的长期稳定性。1.3.2研究方法为实现研究目标，本研究将综合运用多种研究方法，确保研究的科学性和可靠性：实地调查法：深入戈壁地区，对高速铁路建设场地进行实地勘察，观察地形地貌、地层露头和岩土体的分布情况。采集戈壁土样本，记录采样位置、深度和地质条件等信息，为后续室内试验提供真实可靠的样品。与当地地质部门、工程建设单位进行交流，获取戈壁地区的地质资料、工程建设经验和相关数据，全面了解研究区域的实际情况。试验研究法：在室内进行系统的土工试验，包括物理性质试验、力学性质试验和动力性质试验等，严格按照相关试验标准和规范操作，确保试验数据的准确性和可靠性。开展现场原位测试，如载荷试验、动力触探试验、标准贯入试验等，获取戈壁土地基在天然状态下的工程性质参数，真实反映地基的实际情况。利用振动台等试验设备，模拟列车动荷载作用，研究戈壁土地基的动力响应特性，为理论分析和数值模拟提供试验依据。理论分析法：基于土力学、岩石力学等相关理论，建立戈壁土地基的力学模型，分析其在静荷载和动荷载作用下的应力应变状态和变形规律。运用地基承载力理论、沉降计算理论等，对戈壁土地基的承载能力和沉降变形进行理论计算和分析，与试验结果相互验证，完善理论体系。研究戈壁土地基在复杂地质条件和环境因素作用下的稳定性理论，为地基处理和工程设计提供理论支持。数值模拟法：采用有限元软件，如ANSYS、ABAQUS等，建立戈壁土地基与高速铁路结构的三维数值模型，考虑土体的非线性本构关系、地基与结构的相互作用以及复杂的边界条件。通过数值模拟，分析戈壁土地基在不同工况下的力学响应和变形特性，预测地基的沉降、应力分布等情况，优化地基处理方案和工程设计参数。利用数值模拟方法，研究不同因素对戈壁土地基特性的影响规律，弥补试验研究和理论分析的局限性。二、戈壁地区地质环境2.1自然地理条件2.1.1地理位置与地形地貌戈壁地区在我国主要分布于内蒙古自治区西北部、新疆维吾尔自治区等地，地处内陆，远离海洋。这些地区深居欧亚大陆腹地，周边多被山脉环绕，使得海洋水汽难以深入，气候干旱少雨。以新疆的戈壁地区为例，其位于天山南北两侧，塔里木盆地和准噶尔盆地周边广泛分布着戈壁地貌。在地理位置上，处于中纬度地区，具有典型的大陆性气候特征。从地形地貌来看，戈壁地区主要呈现出以下特点：地势总体较为平坦，但也存在一定的起伏。在局部区域，由于长期的地质作用，形成了一些低缓的丘陵和台地。这些丘陵和台地相对高度一般在几十米到上百米不等，其顶部较为平坦，边坡较为平缓。例如，在内蒙古的戈壁地区，就有许多这样的低缓丘陵，它们是由古老的岩石经过长期风化、剥蚀作用而形成的，其岩性主要为花岗岩、砂岩等。在戈壁地区，还分布着大面积的冲洪积平原。这些平原是由山区的河流携带大量的泥沙、砾石等物质，在出山后由于地势变缓，水流速度减慢，所携带的物质逐渐沉积而形成的。冲洪积平原的物质组成以粗颗粒的砾石、砂为主，分选性较差，颗粒大小混杂。在一些大型河流的冲积扇上，从扇顶到扇缘，颗粒逐渐变细，沉积物的厚度也逐渐变薄。此外，戈壁地区还存在一些特殊的地貌形态，如雅丹地貌。雅丹地貌是一种典型的风蚀地貌，主要是由于风力对干旱地区的岩石和沉积物进行长期侵蚀而形成的。其形态多样，有的像城堡，有的像蘑菇，有的像石柱，具有极高的观赏价值和科学研究价值。著名的新疆罗布泊地区的雅丹地貌，就是在长期的风力作用下，将原本平坦的地面侵蚀出各种奇特的形状，形成了一片壮观的“雅丹城堡”。还有风蚀残丘，这也是风蚀作用的产物，是在风力侵蚀下，岩石逐渐被剥蚀，形成的孤立的小丘。风蚀残丘的高度一般在数米到数十米之间，其形态不规则，表面常被风蚀出各种凹槽和蜂窝状的小孔。2.1.2气象条件戈壁地区的气象条件具有显著的特殊性，对地基特性有着重要影响。在气温方面，戈壁地区呈现出典型的大陆性气候特征，昼夜温差极大。夏季，白天太阳辐射强烈，地面迅速升温，气温可高达40℃以上；而到了夜晚，由于戈壁地区空气干燥，云层稀少，大气逆辐射弱，地面热量迅速散失，气温可骤降至10℃以下，昼夜温差可达30℃左右。冬季则十分寒冷，平均气温在-10℃以下，极端低温甚至可达-30℃以下。这种剧烈的温度变化，使得戈壁土地基中的岩土体反复经历热胀冷缩的过程。在温度升高时，岩土体膨胀，内部产生压应力；温度降低时，岩土体收缩，内部产生拉应力。长期的热胀冷缩作用，容易导致岩土体结构破坏，颗粒之间的连接变弱，从而影响地基的强度和稳定性。例如，在戈壁地区的一些混凝土基础中，由于受到昼夜温差的影响，混凝土表面会出现裂缝，随着时间的推移，这些裂缝可能会逐渐扩展，降低基础的承载能力。降水方面，戈壁地区降水稀少，年降水量一般在200毫米以下，甚至部分地区年降水量不足50毫米。降水主要集中在夏季，且多以暴雨的形式出现。由于降水稀少，戈壁土地基的含水率通常较低，土体处于较为干燥的状态。这使得土体颗粒之间的摩擦力较大，但黏聚力较小，地基的抗剪强度主要取决于内摩擦角。而夏季的暴雨，虽然历时较短，但强度较大，可能会在短时间内使地基土体的含水率急剧增加，导致土体饱和，有效应力减小，抗剪强度降低。同时，暴雨还可能引发地面径流，对地基产生冲刷作用，破坏地基的表层结构，降低地基的承载能力。风力条件也是戈壁地区气象的重要特征之一。戈壁地区风力强劲，常年多风，尤其是春季和冬季，大风频繁。平均风速一般在5-10米/秒之间，部分地区瞬间最大风速可达20米/秒以上。强风对戈壁土地基的影响主要体现在两个方面：一是风蚀作用，风力将地表的细颗粒物质吹走，使地基土体的颗粒组成发生变化，粗颗粒相对增多，土体结构变得更加松散，地基的密实度和承载能力降低。例如，在长期的风蚀作用下，戈壁地区的一些路基表面会出现明显的风蚀凹槽，路基的稳定性受到威胁。二是风沙堆积，风中携带的大量沙尘在遇到障碍物或风速减小时，会在地基表面堆积，形成风沙层。风沙层的存在可能会改变地基的应力分布，影响地基的变形特性。此外，风沙还可能对地基中的建筑物和基础设施造成磨损和侵蚀，降低其使用寿命。2.2地层与岩性戈壁地区的地层结构较为复杂，其形成经历了漫长的地质历史时期，受到多种地质作用的影响。以新疆戈壁地区为例，从地层分布来看，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区，由变质岩和花岗岩组成，这些岩石经历了强烈的构造运动和变质作用，岩石结晶程度高，质地坚硬。其岩性致密，抗风化能力较强，在长期的地质历史中，构成了戈壁地区的基底，对上部地层的沉积和构造演化起到了重要的控制作用。古生界在戈壁地区也有广泛分布，包括寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系和二叠系。寒武系和奥陶系主要为海相沉积岩，岩性以石灰岩、页岩和砂岩为主，含有丰富的海相化石，反映了当时的海洋环境。志留系和泥盆系则经历了海陆变迁，既有海相沉积，也有陆相沉积，岩性较为复杂，包括砂岩、页岩、砾岩等。石炭系和二叠系以陆相沉积为主，岩性主要为砂岩、泥岩和煤层，这一时期气候温暖湿润，植被茂盛，为煤炭的形成提供了物质基础。中生界在戈壁地区主要为侏罗系、白垩系，岩性主要为砂岩、泥岩、砾岩等陆相碎屑岩。侏罗系地层中常含有煤层，是重要的煤炭资源层位。这一时期，陆地面积进一步扩大，沉积环境以河流、湖泊相为主，地层中发育有丰富的交错层理和波痕等沉积构造，反映了当时的水流动力条件和沉积环境。白垩系地层则主要为红色碎屑岩，是在干旱炎热的气候条件下形成的，岩石中含有大量的氧化铁，使其呈现出红色。白垩系地层中还发育有一些特殊的地质构造，如断层、褶皱等，这些构造对地层的稳定性和地下水的分布产生了重要影响。新生界在戈壁地区主要为第三系和第四系。第三系地层岩性主要为砂岩、泥岩、砾岩等，是在古近纪和新近纪的地质时期形成的，沉积环境以湖泊、河流相为主。第四系地层则是最年轻的地层，广泛分布于戈壁地区的地表，主要由松散的沉积物组成，包括砂、砾石、黏土等，其成因复杂，有冲积、洪积、风积等多种类型。戈壁地区的主要岩石类型及其特性对地基工程有着重要影响。花岗岩是戈壁地区常见的岩石类型之一，它是一种深成酸性岩浆岩，主要由石英、长石和云母等矿物组成。花岗岩质地坚硬，强度高，抗压强度一般可达100-200MPa，抗剪强度也较高。其风化程度因地质条件和暴露时间而异，在山区，新鲜的花岗岩出露较多，风化程度较轻，岩石完整性好；而在一些地势较低的地区，花岗岩可能受到长期的风化作用，形成风化壳，风化壳厚度可达数米至数十米，风化后的花岗岩强度降低，工程性质变差。砂岩也是戈壁地区常见的岩石类型，它是由砂粒胶结而成的沉积岩，主要矿物成分为石英和长石。砂岩的强度和胶结程度有关，胶结物为硅质、铁质时，砂岩强度较高，抗压强度一般在50-100MPa；胶结物为泥质时，砂岩强度较低，抗压强度一般在10-50MPa。砂岩的风化程度也较为明显，在长期的风化作用下，砂粒之间的胶结逐渐被破坏，岩石变得松散，容易发生坍塌和剥落。砾岩是由砾石胶结而成的沉积岩，砾石粒径一般大于2mm。砾岩的颗粒间孔隙较大，透水性强，但强度相对较低，抗压强度一般在20-80MPa。其结构较为松散，在地基工程中，需要对砾岩的承载能力和稳定性进行充分评估。如果砾岩的胶结较差，在荷载作用下，砾石可能会发生移动和错位，导致地基沉降和变形。泥岩是一种由黏土矿物组成的沉积岩，质地柔软，强度低，抗压强度一般在5-20MPa。泥岩的含水率较高，遇水后容易软化和膨胀，其抗剪强度也会显著降低。在戈壁地区，泥岩常与其他岩石互层分布，由于其工程性质较差，在地基处理中需要特别注意，防止因泥岩的软化和膨胀导致地基失稳。2.3水文地质概况2.3.1地下水类型与分布戈壁地区的地下水类型较为多样，主要包括潜水和承压水。潜水是指地表以下，第一个稳定隔水层以上具有自由水面的地下水。在戈壁地区，潜水广泛分布于第四系松散堆积物中，如冲洪积扇、河谷阶地等地段。其主要补给来源为大气降水、山区冰雪融水和地表径流的入渗。在山区，冰雪融水在春季和夏季大量融化，形成地表径流，一部分径流会渗入地下，补给潜水。大气降水虽然稀少，但在局部地区，如暴雨后，也会有少量雨水渗入地下，对潜水进行补给。承压水是指充满于两个稳定隔水层之间的含水层中的地下水。在戈壁地区，承压水主要赋存于深部的碎屑岩地层和部分碳酸盐岩地层中。其补给来源较为复杂，除了侧向的径流补给外，在一些构造破碎带附近，可能存在深部热水的补给。例如，在新疆的某些戈壁地区，深部的构造活动使得深部热水沿着断裂带上升，对承压水进行补给，这种热水补给可能会改变承压水的化学成分和温度。从分布规律来看，戈壁地区的潜水分布与地形地貌和地层岩性密切相关。在山前冲洪积扇地区，潜水含水层厚度较大，颗粒较粗，透水性强，富水性较好。以新疆准噶尔盆地南缘的戈壁地区为例，山前冲洪积扇的上部，潜水含水层厚度可达数十米，岩性主要为砾石、粗砂，地下水的渗透系数较大，单井出水量较高，一般可达每小时几十立方米。随着地势向平原地区降低，冲洪积扇的下部潜水含水层厚度逐渐变薄，颗粒变细，透水性和富水性也逐渐减弱。在河谷阶地地区，潜水也有一定的分布，其含水层主要由河流冲积物组成，岩性为砂、砾石和黏土互层，富水性受河流流量和阶地高度的影响。一般来说，靠近河流的低阶地潜水富水性较好，而高阶地富水性相对较差。承压水的分布则主要受地质构造和地层岩性的控制。在一些大型的向斜构造和断裂构造附近，承压水较为富集。例如，在内蒙古的戈壁地区，一些向斜构造中，深部的碎屑岩地层形成了良好的储水构造，承压水在其中储存。这些地区的承压水水头较高，在合适的条件下，可能会出现自流现象。地层岩性对承压水的分布也有重要影响，碎屑岩中的砂岩和砾岩孔隙度和渗透率相对较高，有利于承压水的储存和运移；而泥岩和页岩等则相对隔水，起到了封存承压水的作用。在不同的戈壁地区，由于地质条件的差异，承压水的分布深度和富水性也有所不同。在一些地区，承压水的埋藏深度可达数百米，而在另一些地区，可能相对较浅，几十米即可见承压水。2.3.2地下水对地基的影响地下水对戈壁地区高速铁路地基的稳定性和耐久性有着多方面的重要影响。在稳定性方面，地下水水位的变化是一个关键因素。当地下水水位上升时，地基土体的含水率增加，土体的重度增大，有效应力减小，抗剪强度降低。对于戈壁地区的地基，由于其土体颗粒间的黏聚力本来就较小，主要依靠摩擦力来维持强度，地下水水位上升导致的抗剪强度降低可能更为明显。例如，在一些以砂、砾石为主的戈壁土地基中，当地下水水位上升使土体饱和时，在外部荷载作用下，地基可能更容易发生滑动和坍塌，危及高速铁路路基的稳定。水位下降则可能导致地基土体的沉降和收缩变形。由于戈壁地区土体的颗粒结构较为松散，地下水水位下降后，土体失去水的浮力支撑，颗粒间的接触应力增大，土体发生压缩变形，从而引起地基沉降。不均匀的水位下降还可能导致地基的不均匀沉降，使高速铁路的轨道产生变形，影响列车的平稳运行。地下水的水质对地基的耐久性也有着显著影响。戈壁地区的地下水矿化度一般较高，含有多种化学成分，如硫酸盐、氯化物、碳酸盐等。这些化学成分可能会与地基土体中的矿物成分发生化学反应，导致土体结构的破坏和强度降低。例如，地下水中的硫酸盐可能与土体中的钙离子发生反应，生成石膏等膨胀性矿物，使土体体积膨胀，产生内应力，导致土体结构疏松，强度下降。地下水中的氯化物具有较强的腐蚀性，可能会对地基中的混凝土结构和金属结构造成腐蚀。在高速铁路的地基中，混凝土基础和钢筋等金属连接件广泛应用，氯化物的腐蚀会降低混凝土的强度和钢筋的承载能力，缩短地基的使用寿命。例如，当氯化物侵入混凝土内部后，会破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋发生锈蚀，锈蚀产物的体积膨胀，会导致混凝土开裂，进一步加速钢筋的锈蚀和混凝土的破坏。地下水的渗透作用也不容忽视。在地下水的渗透过程中，可能会携带地基土体中的细颗粒物质，导致土体的孔隙结构发生变化，产生管涌和流土等现象。管涌是指在地下水的渗透力作用下，土体中的细颗粒通过粗颗粒的孔隙被带走，逐渐形成管状通道，使地基的强度降低。流土则是指在渗透力的作用下，地基表面的土体颗粒发生悬浮移动，导致地基的破坏。在戈壁地区，由于土体颗粒的级配和结构特点，地下水的渗透作用更容易引发管涌和流土现象，严重威胁高速铁路地基的稳定性。三、戈壁土地基地质勘察3.1地基勘察方法概述在高速铁路建设中，准确了解戈壁土地基地质条件是确保工程安全和稳定的关键，而地质勘察方法的合理选择与应用则是获取详细地质信息的重要手段。常用的地质勘察方法主要包括钻探、物探、原位测试等，每种方法都有其独特的原理、特点及适用范围。钻探是地质勘察中最常用的方法之一，它通过钻机在地面钻孔，采集地下岩土样本，以便直接观察和分析岩土的性质和结构。在戈壁地区，钻探方法主要有回转钻和冲击钻。回转钻中的螺旋钻不适用于碎石土和岩石地层，因为其螺旋叶片在遇到较大颗粒的碎石或坚硬岩石时，难以钻进，且易损坏设备；而无岩芯钻和岩芯钻则适用于任何地层。岩芯钻能够取出完整的岩芯样本，通过对岩芯的分析，可以直观地了解地层的岩性、构造、风化程度等信息。冲击钻中的冲击钻不适用于粘性土和岩石，因为在粘性土地层中，冲击作用易使孔壁坍塌，而在岩石地层中，冲击能量难以有效传递，钻进效率低；锤击钻和振动钻不适用岩石，在岩石中难以产生有效钻进；冲洗钻不适用于碎石土和岩石，其冲洗液在碎石土和岩石中易流失，无法形成有效的护壁和排渣。钻探方法的优点是能够获取岩土的实物样本，为室内试验提供材料，从而准确测定岩土的物理力学性质，如颗粒分析、密度、含水率、抗压强度等。但钻探方法也存在一定的局限性，它是一种点状勘察，只能获取钻孔位置的地质信息，对于钻孔之间的地层情况了解有限，且钻探成本较高，效率相对较低，尤其是在复杂地质条件下，钻探难度会增加。物探方法则是利用地球物理场的变化来探测地下地质体的分布和性质。常见的物探方法包括地震勘探、电法勘探、电磁法勘探等。地震勘探是通过人工激发地震波，根据地震波在地下不同介质中的传播速度、反射和折射等特性，来推断地层的结构和岩性。在戈壁地区，由于地层相对较为干燥，地震波的传播条件较好，地震勘探可以较好地确定地层的分层情况和深部地质构造。例如，通过分析地震波的反射界面，可以识别不同岩性地层的界面，确定地层的厚度和埋藏深度。电法勘探是基于岩土体的电学性质差异，如电阻率、介电常数等，通过测量地下电场的变化来探测地质体。在戈壁地区，不同岩性的岩土体其电阻率往往存在差异，例如，砂岩的电阻率相对较高，而泥岩的电阻率相对较低，利用这一特性可以通过电法勘探来划分地层和寻找地下含水层。电磁法勘探则是利用电磁感应原理，通过发射和接收电磁波来探测地下地质体。物探方法的优点是可以快速、大面积地获取地下地质信息，成本相对较低，能够初步了解地下地质构造的轮廓和分布范围，为后续的钻探和原位测试提供指导。然而，物探方法的结果解释具有一定的多解性，受地形、地质条件等因素的影响较大，例如，在地形起伏较大的戈壁地区，物探数据可能会受到地形的干扰，导致解释结果不准确，因此物探结果通常需要结合其他勘察方法进行验证和分析。原位测试是在现场对岩土体进行测试，以获取其在天然状态下的物理力学性质。常见的原位测试方法有标准贯入试验、动力触探试验、静力触探试验、旁压试验等。标准贯入试验是将标准贯入器打入土中一定深度，记录贯入所需的锤击数，根据锤击数来判断土的密实度和强度。在戈壁地区的砂土和砾石地层中，标准贯入试验可以有效地评估土体的密实程度和承载能力。动力触探试验则是利用一定的落锤能量，将探头打入土中，根据探头的贯入阻力来确定土的性质。动力触探试验适用于各类土和软岩，尤其对于难以取原状样的戈壁土，动力触探可以直接在现场测试，获取其力学性质指标。静力触探试验是将带有传感器的探头匀速压入土中，通过测量探头所受的阻力来确定土的性质，该方法连续、快速，能较准确地反映土的性质变化。旁压试验是通过向旁压器内充水，使旁压器膨胀，对周围土体施加压力，从而测定土体的变形模量和承载力等参数。原位测试方法的优点是能够在现场原位条件下测试岩土体的性质，避免了取样过程对岩土体结构的扰动，测试结果更能真实反映岩土体的实际情况。但原位测试方法也有其局限性，每种测试方法都有其适用的岩土类型和测试范围，例如，标准贯入试验对于粒径较大的砾石土，测试结果可能不准确；静力触探试验在坚硬的岩石或密实的粗颗粒土中，探头难以压入，无法进行测试。在戈壁地区进行高速铁路地基勘察时，单一的勘察方法往往难以全面、准确地获取所需的地质信息，因此需要综合运用多种勘察方法，充分发挥各自的优势，相互补充和验证。首先进行物探工作，利用其快速、大面积的特点，初步查明地下地质构造、地层分布等情况，为后续钻探和原位测试的布点提供依据。在物探结果的基础上，合理布置钻探孔位，通过钻探获取岩土样本，进行室内试验，详细测定岩土的物理力学性质。同时，在钻探过程中，结合原位测试方法，对岩土体的现场力学性质进行测试，与室内试验结果相互印证，提高勘察结果的准确性和可靠性。3.2试验段戈壁土地基勘察内容3.2.1勘察点布置试验段勘察点的布置遵循全面性、代表性和经济性的原则，以确保能够准确、全面地获取地基信息，为后续的工程设计和施工提供可靠依据。在平面布置上，勘察点依据高速铁路线路走向和路基结构特点进行布设。对于直线段，勘察点沿线路中心线两侧对称布置，间距一般控制在20-50米之间。例如，在地势较为平坦、地质条件相对均匀的直线段，勘察点间距可适当增大至50米，以提高勘察效率；而在地质条件变化较大的地段，如地层起伏较大、岩土性质差异明显处，勘察点间距则加密至20米，确保能够捕捉到地质条件的细微变化。在曲线段，考虑到曲线半径和超高的影响，勘察点的布置更加密集。对于半径较小的曲线段，如半径小于500米的曲线，在曲线内侧和外侧分别布置勘察点，且间距控制在20米以内，以准确掌握曲线段地基的受力情况和岩土性质变化。在路基与桥梁、隧道等结构物的衔接部位，由于受力复杂，地质条件变化大，勘察点进行重点加密布置。在这些部位，每隔10-15米布置一个勘察点，同时在衔接部位的两侧一定范围内，增加勘察点的数量，以全面了解衔接部位的地质条件，为结构物的设计和施工提供详细的地质资料。在竖向布置上，勘察点的深度根据地基的岩土分层情况和工程要求确定。一般情况下，勘察深度应穿透地基主要受力层，并进入下卧层一定深度。对于高速铁路路基，主要受力层深度一般在地面以下5-10米，因此勘察点的深度通常设计为10-15米。若遇到软弱下卧层或特殊地质情况，如存在溶洞、断层等，勘察深度则根据实际情况加深，以确保能够准确查明地质情况，评估其对工程的影响。在确定勘察点深度时，还需考虑地下水的影响。对于存在地下水的区域，勘察点应穿透地下水位，进入含水层以下一定深度，以了解地下水对地基岩土性质的影响，以及地下水与地基的相互作用关系。3.2.2勘察测试项目为全面了解戈壁土地基的工程性质，进行了多项勘察测试项目，涵盖了岩土的物理性质、力学性质、动力性质以及地下水等多个方面。在岩土物理性质测试方面，进行了颗粒分析试验，采用筛分法和比重计法测定戈壁土的颗粒组成，确定其粒径分布范围和不均匀系数，以了解土体的颗粒级配情况，判断土体的均匀性和透水性。开展了密度试验，通过环刀法、蜡封法等测定戈壁土的天然密度、干密度和饱和密度，为计算土体的孔隙比、饱和度等物理指标提供数据支持。含水率试验也是重要内容之一，采用烘干法测定戈壁土的含水率，了解土体的干湿状态，因为含水率对土体的物理力学性质有显著影响，如含水率的变化会导致土体的强度、压缩性等发生改变。力学性质测试项目包括压缩试验，利用压缩仪测定戈壁土在不同压力下的压缩变形，计算压缩系数和压缩模量，评估土体的压缩性和变形特性。直剪试验则通过直剪仪测定戈壁土的抗剪强度指标，如内摩擦角和黏聚力，分析土体在剪切力作用下的破坏特性，为地基的稳定性分析提供依据。三轴剪切试验也是必不可少的，它能更真实地模拟土体在复杂应力状态下的力学行为，获取更准确的抗剪强度参数。动力性质测试主要通过振动台试验，模拟列车动荷载作用，研究戈壁土地基在不同频率、幅值动荷载下的振动特性，包括加速度、速度和位移响应等。动力触探试验则利用一定的落锤能量，将探头打入土中，根据探头的贯入阻力确定土体的密实度和力学性质，评估地基在动力作用下的承载能力和稳定性。针对地下水，进行了水位观测，通过设置水位观测孔，定期测量地下水位的变化，掌握地下水位的动态特征。水质分析也是重要环节，采集地下水样本，分析水中的化学成分，如酸碱度、矿化度、各种离子含量等，评估地下水对地基岩土和建筑材料的腐蚀性。3.3试验段勘察实验结果及分析3.3.1土层物理力学性质分析对试验段采集的戈壁土样本进行室内试验，得到了土层的各项物理力学性质指标。在物理性质方面，颗粒分析结果显示，戈壁土主要由粒径大于0.075mm的粗颗粒组成，其中砾石含量占比较大，一般在40%-60%之间，砂粒含量次之，约为30%-40%，粉粒和黏粒含量较少，总计不超过10%。不均匀系数Cu值较大，一般在10-20之间，表明颗粒级配良好，土体的透水性较强。密度试验结果表明，戈壁土的天然密度一般在2.0-2.2g/cm³之间，干密度在1.8-2.0g/cm³之间，饱和密度在2.2-2.4g/cm³之间。含水率方面，由于戈壁地区气候干旱，土层含水率较低，一般在2%-6%之间，且在不同深度和位置的含水率变化较小。在力学性质方面，压缩试验数据显示，戈壁土的压缩系数较小，一般在0.01-0.05MPa⁻¹之间，属于低压缩性土。压缩模量较大，一般在20-50MPa之间，表明土体抵抗压缩变形的能力较强。直剪试验测定的内摩擦角较大，一般在35°-45°之间，黏聚力较小，一般在5-15kPa之间，说明戈壁土的抗剪强度主要取决于内摩擦角，颗粒间的摩擦力较大，而黏聚力相对较弱。三轴剪切试验得到的抗剪强度参数与直剪试验结果具有一致性，进一步验证了戈壁土的抗剪强度特性。通过对不同深度和位置的土层物理力学性质进行对比分析发现，随着深度的增加，戈壁土的密度略有增大，含水率基本保持不变，压缩性略有降低，抗剪强度有所提高。这主要是由于深部土层受到上覆土层的压力作用，颗粒间的排列更加紧密，从而导致土体的物理力学性质发生相应变化。在水平方向上，不同位置的土层物理力学性质也存在一定差异，靠近河流或地下水水位较高的区域，土层的含水率相对较高，压缩性和抗剪强度也会受到一定影响。例如，在试验段靠近河流的一侧，土层含水率达到8%左右，压缩系数增大到0.08MPa⁻¹，内摩擦角降低到30°左右，这表明地下水对戈壁土地基的物理力学性质有显著影响。3.3.2岩石力学性质分析试验段内出露的岩石主要为砂岩和砾岩，对其进行了一系列力学性质测试。砂岩的抗压强度测试结果显示，其单轴抗压强度一般在50-100MPa之间，随着岩石的风化程度增加，抗压强度逐渐降低。新鲜砂岩的抗压强度较高，可达80-100MPa，而强风化砂岩的抗压强度仅为20-40MPa。砂岩的抗拉强度相对较低，一般在2-5MPa之间，约为抗压强度的1/20-1/10。砾岩的抗压强度一般在20-80MPa之间，由于其颗粒间的胶结程度较差，抗压强度低于砂岩。其抗拉强度更低，一般在1-3MPa之间。在弹性模量方面，砂岩的弹性模量一般在10-30GPa之间，砾岩的弹性模量一般在5-15GPa之间，这表明砂岩抵抗变形的能力相对较强。岩石的抗剪强度通过直剪试验和三轴剪切试验进行测定。直剪试验得到的砂岩内摩擦角一般在30°-40°之间，黏聚力在10-30kPa之间；砾岩的内摩擦角在25°-35°之间，黏聚力在5-20kPa之间。三轴剪切试验得到的抗剪强度参数与直剪试验结果基本相符，但三轴试验能够更真实地模拟岩石在复杂应力状态下的力学行为。对岩石力学性质的分析还考虑了岩石的结构和构造对其力学性质的影响。例如，砂岩中存在的层理结构会导致其力学性质具有各向异性，平行于层理方向的抗压强度和抗剪强度一般低于垂直于层理方向。砾岩中砾石的大小、形状和排列方式也会影响其力学性质，砾石粒径较大且排列紧密的砾岩，其抗压强度相对较高。3.3.3地基均匀性评价根据勘察结果，对戈壁土地基的均匀性进行评价。从地层分布来看，试验段内的地层主要由第四系松散堆积物和基岩组成，第四系堆积物厚度在不同位置存在一定差异，一般在5-15m之间，基岩顶面起伏较大。在第四系堆积物中，戈壁土的颗粒组成和物理力学性质在水平方向上存在一定的变化，但总体上变化较为连续，没有明显的突变。通过对勘察点的物理力学性质指标进行统计分析，计算变异系数来评估地基的均匀性。土层的密度、含水率、压缩性、抗剪强度等指标的变异系数一般在0.1-0.3之间，表明土层的物理力学性质相对较为均匀。然而，在局部区域，如靠近河流或存在古河道的位置，土层的物理力学性质变异系数较大，达到0.4-0.6之间，说明这些区域的地基均匀性较差。在基岩方面，虽然试验段内主要岩石类型为砂岩和砾岩，但岩石的风化程度、节理裂隙发育程度在不同位置存在较大差异。通过对岩石抗压强度、抗拉强度等指标的统计分析，发现其变异系数在0.3-0.5之间，表明基岩的力学性质均匀性一般。在一些节理裂隙发育的区域，岩石的完整性遭到破坏，力学性质变化较大，对地基的均匀性产生不利影响。综合考虑地层分布、岩土物理力学性质以及变异系数等因素，试验段戈壁土地基在整体上基本均匀，但在局部区域存在不均匀现象。在地基设计和处理时，需要针对这些不均匀区域采取相应的措施，如加强地基处理、调整基础设计等，以确保地基的稳定性和承载能力满足高速铁路建设的要求。对于土层不均匀区域，可以采用换填、夯实等方法提高地基的均匀性；对于基岩不均匀区域，可根据节理裂隙的发育情况，采取灌浆、锚杆加固等措施增强基岩的整体性和稳定性。四、戈壁土地基物理力学性质4.1物理性质4.1.1颗粒级配戈壁土的颗粒级配是其重要的物理性质之一，对地基的工程性能有着关键影响。通过对试验段采集的戈壁土样本进行颗粒分析试验，采用筛分法和比重计法测定其颗粒组成。结果显示，戈壁土主要由粗颗粒组成，粒径大于2mm的砾石含量丰富，占比通常在40%-60%之间。这些砾石形状不规则，大小不一，表面较为粗糙，颗粒间的咬合作用较强。粒径在0.075-2mm之间的砂粒含量次之，约为30%-40%。砂粒的形状多呈圆形或椭圆形，表面相对光滑，其在戈壁土中起到填充砾石间孔隙的作用。粉粒和黏粒含量较少，总计一般不超过10%。为了更准确地描述戈壁土的颗粒级配特征，计算了不均匀系数Cu和曲率系数Cc。不均匀系数Cu反映了土颗粒大小的不均匀程度，计算公式为Cu=d60/d10，其中d60表示小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时所对应的粒径，d10表示小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时所对应的粒径。曲率系数Cc则反映了土颗粒级配曲线的弯曲程度，计算公式为Cc=d30²/(d60×d10)，其中d30表示小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时所对应的粒径。经计算，试验段戈壁土的不均匀系数Cu值较大，一般在10-20之间，表明土颗粒大小分布范围较广，粗细颗粒搭配较为合理，级配良好。曲率系数Cc一般在1-3之间，说明土颗粒级配曲线的弯曲程度适中，不存在粒径缺失或集中的现象。良好的颗粒级配使得戈壁土具有较好的透水性和稳定性。由于粗颗粒含量较高，颗粒间的孔隙较大，地下水能够在其中快速渗透，不易形成积水，减少了地基受水浸泡而软化的风险。同时，粗细颗粒的合理搭配使得土体在受力时能够形成较为稳定的骨架结构，增强了地基的承载能力和抗变形能力。例如，在地基承受上部结构荷载时，砾石能够承担大部分的竖向荷载，砂粒填充在砾石间的孔隙中，进一步增强了土体的密实度和稳定性，使得地基能够较好地抵抗变形，保障高速铁路路基的安全稳定。4.1.2含水量与密度戈壁地区气候干旱，降水稀少，这使得戈壁土的含水量变化规律具有一定的特殊性。通过对试验段不同位置和深度的戈壁土样本进行含水量测定，采用烘干法将土样在105-110℃条件下烘干至恒重，计算土中水的质量与干土质量之比，得到含水量数据。结果表明，戈壁土的含水量普遍较低，一般在2%-6%之间。在水平方向上，靠近河流或地下水水位较高的区域，含水量相对较高，可达到8%左右；而远离水源的区域，含水量则较低，可能低于2%。在垂直方向上，随着深度的增加，含水量变化较小，基本保持在稳定的范围内。这是因为戈壁地区的降水难以渗透到深层土体，且深层土体受到的蒸发作用较弱，使得含水量相对稳定。含水量对戈壁土的密度有着显著影响。土的密度包括天然密度、干密度和饱和密度。天然密度是指土体单位体积的总质量，干密度是指干土的单位体积质量，饱和密度是指土孔隙完全被水充满时的单位体积质量。当含水量增加时，土中水分的质量增加，使得天然密度增大。同时，含水量的增加会使土颗粒间的润滑作用增强，在一定程度上减小了土颗粒间的摩擦力，导致土体的干密度减小。例如，当含水量从2%增加到6%时，天然密度可能从2.0g/cm³增大到2.1g/cm³，而干密度可能从1.9g/cm³减小到1.85g/cm³。饱和密度则主要取决于土颗粒的密度和孔隙率，当含水量达到饱和状态时，土孔隙完全被水充满，此时饱和密度相对较大。含水量和密度对地基工程性质有着重要影响。含水量较低时，戈壁土颗粒间的摩擦力较大，抗剪强度较高，但土体的可塑性较差，在施工过程中不易压实。随着含水量的增加，土体的可塑性增强，有利于施工压实，但抗剪强度会降低。如果含水量过高，土体可能会处于饱和状态，在荷载作用下容易产生较大的变形，甚至发生液化现象，严重影响地基的稳定性。密度方面，较高的干密度表示土体较为密实，承载能力较强，压缩性较低。在高速铁路地基设计和施工中，需要严格控制含水量和密度，通过合理的压实等措施，使戈壁土地基达到设计要求的密度和强度，以确保高速铁路路基的稳定和安全。4.1.3孔隙比与饱和度孔隙比和饱和度是反映戈壁土物理性质的重要指标，对地基的渗透性、压缩性等工程性质有着显著影响。孔隙比是指土中孔隙体积与土粒体积之比，它表征了土体中孔隙的多少。通过试验数据计算得出，试验段戈壁土的孔隙比一般在0.4-0.6之间。由于戈壁土主要由粗颗粒组成，颗粒间的孔隙相对较大，使得孔隙比较大。在颗粒级配良好的情况下，细颗粒能够填充在粗颗粒的孔隙中，使得孔隙比相对减小。例如，当砾石和砂粒的搭配较为合理时，孔隙比可能会降低到0.45左右。饱和度是指土中水填充孔隙的程度，定义为孔隙中水的体积与总孔隙体积之比，取值范围为0-100%。戈壁地区气候干旱，地下水水位较低，使得戈壁土的饱和度普遍较低，一般在30%-50%之间。在靠近水源或地下水水位较高的区域，饱和度可能会增大到70%左右。饱和度对地基的渗透性有着重要影响，当饱和度较低时，土中孔隙主要被空气填充，水分在孔隙中的流动阻力较小，地基的渗透性较强。随着饱和度的增加，土中孔隙逐渐被水填充，水分流动的通道减小，渗透性逐渐降低。当饱和度达到饱和状态时，地基的渗透性最小。孔隙比和饱和度对地基的压缩性也有重要影响。孔隙比越大，土体越疏松，在荷载作用下，土颗粒间的相对移动和重新排列的空间越大，地基的压缩性越高。例如，孔隙比为0.6的戈壁土在相同荷载作用下，其压缩变形量可能比孔隙比为0.4的戈壁土大。饱和度的增加会使土颗粒间的有效应力减小，导致土体的抗剪强度降低，在荷载作用下更容易发生压缩变形。在高速铁路地基设计中，需要考虑孔隙比和饱和度对地基压缩性的影响，合理选择地基处理方法，如采用强夯等方法减小孔隙比，提高地基的密实度，降低压缩性，以满足高速铁路对地基变形的严格要求。4.2力学性质4.2.1压缩性通过室内压缩试验测定戈壁土的压缩系数和压缩模量，以分析其压缩特性和变形规律。压缩试验采用标准固结仪，将采集的戈壁土样制备成一定尺寸的环刀样，放入固结仪中，逐级施加竖向压力，记录不同压力下土样的变形量。试验过程中，按照《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019）的要求进行操作，确保试验数据的准确性和可靠性。试验结果表明，戈壁土的压缩系数较小，一般在0.01-0.05MPa⁻¹之间，属于低压缩性土。这是由于戈壁土主要由粗颗粒组成，颗粒间的骨架结构较为稳定，在荷载作用下，土颗粒不易发生相对移动和重新排列，从而表现出较低的压缩性。随着压力的增加，压缩系数逐渐减小，说明戈壁土的压缩性随着压力的增大而降低。例如，在压力从100kPa增加到200kPa时，压缩系数可能从0.03MPa⁻¹减小到0.02MPa⁻¹。压缩模量是反映土体抵抗压缩变形能力的重要指标，戈壁土的压缩模量较大，一般在20-50MPa之间。较高的压缩模量意味着戈壁土在荷载作用下具有较强的抵抗压缩变形的能力，能够较好地保持其原有形状和结构。在实际工程中，较高的压缩模量有利于减少地基的沉降变形，保证高速铁路路基的稳定性。通过对不同颗粒级配和含水量的戈壁土样进行压缩试验，分析其压缩特性的差异。结果发现，颗粒级配良好的戈壁土，其压缩系数相对较小，压缩模量相对较大。这是因为良好的颗粒级配使得土颗粒能够相互嵌锁，形成更稳定的骨架结构，从而提高了土体的抗压缩能力。含水量对戈壁土的压缩性也有一定影响，当含水量增加时，土颗粒间的润滑作用增强，颗粒间的摩擦力减小，压缩系数略有增大，压缩模量略有减小。但由于戈壁土本身含水量较低，这种影响相对较小。例如，当含水量从4%增加到6%时，压缩系数可能从0.03MPa⁻¹增大到0.035MPa⁻¹，压缩模量可能从30MPa减小到28MPa。4.2.2抗剪强度采用直剪试验和三轴剪切试验研究戈壁土的内摩擦角、黏聚力等抗剪强度指标，分析其在不同应力状态下的抗剪性能。直剪试验是将戈壁土样放入直剪仪中，在不同的垂直压力下，施加水平剪切力，直至土样发生剪切破坏，记录破坏时的剪应力和垂直压力，从而计算出内摩擦角和黏聚力。三轴剪切试验则是将土样装入三轴仪的压力室中，先施加周围压力，然后逐渐增加轴向压力，使土样在三向应力状态下发生剪切破坏，通过测量破坏时的主应力差和孔隙水压力等参数，计算内摩擦角和黏聚力。两种试验均按照相关标准规范进行操作。试验结果显示，戈壁土的内摩擦角较大，一般在35°-45°之间，黏聚力较小，一般在5-15kPa之间。较大的内摩擦角表明戈壁土颗粒间的摩擦力较大，抵抗剪切变形的能力较强。这主要是由于戈壁土的粗颗粒表面粗糙，颗粒间的咬合作用明显，在剪切过程中，需要克服较大的摩擦力才能使颗粒发生相对滑动。较小的黏聚力则说明戈壁土颗粒间的连接较弱，主要依靠摩擦力来维持土体的稳定性。在不同应力状态下，戈壁土的抗剪性能表现出一定的差异。在低围压下，内摩擦角对土体抗剪强度的贡献较大，随着围压的增加，内摩擦角的作用逐渐减小，而黏聚力的影响相对增大。例如，在围压为50kPa时，内摩擦角对土体抗剪强度的贡献约占80%，而当围压增加到200kPa时，内摩擦角的贡献降至60%左右。这是因为在低围压下，土体主要依靠颗粒间的摩擦力来抵抗剪切变形，而在高围压下，土体的密实度增加，颗粒间的接触更为紧密，黏聚力的作用相对增强。分析含水量、干密度等因素对戈壁土抗剪强度的影响。含水量增加时，戈壁土的内摩擦角和黏聚力均有所降低。这是因为水分的增加使土颗粒间的润滑作用增强，摩擦力减小，同时水分占据了部分颗粒间的空隙，削弱了颗粒间的连接，导致黏聚力下降。干密度增大时，内摩擦角和黏聚力都有不同程度的提高。较高的干密度意味着土体更加密实，颗粒间的接触面积增大，咬合作用增强，从而提高了土体的抗剪强度。例如，当干密度从1.8g/cm³增加到2.0g/cm³时，内摩擦角可能从35°增大到40°，黏聚力可能从10kPa增大到15kPa。4.2.3承载能力采用原位测试和理论计算相结合的方法，确定戈壁土地基的承载能力，并分析影响承载能力的因素。原位测试主要采用平板载荷试验，在试验场地选取代表性的位置，将一定尺寸的刚性承压板放置在地基表面，通过千斤顶逐级施加竖向荷载，测量承压板的沉降量，绘制荷载-沉降曲线。根据曲线的特征，按照相关规范确定地基的承载力特征值。理论计算则根据土力学中的地基承载力理论，如太沙基公式、汉森公式等，结合戈壁土的物理力学性质指标，计算地基的极限承载力和容许承载力。太沙基公式考虑了基础的形状、埋深、土的重度、内摩擦角和黏聚力等因素，通过对这些参数的合理取值，可以计算出地基的极限承载力。汉森公式则在太沙基公式的基础上，进一步考虑了基础形状、荷载倾斜、地基土的压缩性等因素对承载力的影响。试验和计算结果表明，戈壁土地基的承载能力主要受土的物理力学性质、基础尺寸和埋深等因素的影响。土的内摩擦角和黏聚力越大，地基的承载能力越高。因为内摩擦角和黏聚力反映了土体抵抗剪切破坏的能力，较大的内摩擦角和黏聚力能够使地基在承受荷载时更不易发生剪切破坏，从而提高承载能力。基础的尺寸和埋深也对承载能力有重要影响，基础宽度越大，埋深越深，地基的承载能力越高。这是因为基础宽度的增加可以分散荷载，减小地基表面的压力；基础埋深的增加则使地基受到上覆土层的约束，提高了地基的稳定性。例如，当基础宽度从2m增加到3m时，地基的承载能力可能提高20%左右；当基础埋深从1m增加到2m时，承载能力可能提高30%左右。此外，地基的压实度和处理方式也会影响承载能力。经过压实处理的戈壁土地基，其密实度增加，颗粒间的接触更为紧密，承载能力得到显著提高。采用合适的地基处理方法，如强夯法、换填法等，也可以改善地基的物理力学性质，提高承载能力。例如，通过强夯处理后，戈壁土地基的承载能力可提高50%-100%，满足高速铁路对地基承载能力的严格要求。五、戈壁土地基动力特性5.1动力特性试验研究5.1.1振动台试验振动台试验是研究戈壁土地基动力特性的重要手段之一，其原理基于动力学和结构动力学理论。通过振动台模拟不同的振动激励，来观测戈壁土试样在振动过程中的动力响应，进而分析其动力特性。在试验方法上，首先根据研究目的和要求，设计并制作合适的戈壁土试样。一般采用现场采集的戈壁土，经过筛分、级配调整等处理，使其满足试验要求。将制备好的试样放置在振动台上，采用合适的固定装置，确保试样在振动过程中与振动台紧密连接，避免出现相对滑动或位移。在试验过程中，使用加速度传感器、位移传感器等设备，实时测量试样在振动过程中的加速度、位移等参数。本次试验的具体过程如下：首先，对振动台进行调试和校准，确保其能够准确地输出设定的振动频率和振幅。将戈壁土试样安装在振动台上，设置初始的振动频率为5Hz，振幅为0.1g（g为重力加速度），进行预振动，以消除试样内部的初始应力和孔隙水压力的影响。然后，按照预定的试验方案，逐步增加振动频率和振幅。在每个振动工况下，保持振动一段时间，待试样的动力响应达到稳定状态后，采集加速度、位移等数据。例如，依次将振动频率增加到10Hz、15Hz、20Hz，振幅分别增加到0.2g、0.3g、0.4g，记录每个工况下的数据。分析戈壁土在不同振动频率、振幅下的动力响应。随着振动频率的增加，戈壁土的加速度响应逐渐增大，这是因为振动频率的增加使得土体颗粒的振动速度加快，惯性力增大。当振动频率从5Hz增加到20Hz时，加速度响应可能会增大数倍。而振幅的增加也会导致加速度响应显著增大，且振幅对加速度响应的影响更为明显。在振幅从0.1g增加到0.4g的过程中，加速度响应的增长幅度可能比振动频率增加时更大。位移响应方面，随着振动频率和振幅的增加，戈壁土的位移响应也逐渐增大。但在不同的频率和振幅组合下，位移响应的变化规律较为复杂。在低频高振幅的情况下，位移响应可能会出现较大的增长；而在高频低振幅时，位移响应的增长相对较小。例如，在5Hz、0.4g的工况下，位移响应可能比20Hz、0.2g的工况下大。通过对这些动力响应的分析，可以深入了解戈壁土地基在不同振动条件下的动力特性，为高速铁路的抗震设计和安全评估提供重要依据。5.1.2动三轴试验动三轴试验的目的是研究戈壁土在循环荷载作用下的动力特性，包括动强度、动模量、阻尼比等重要参数，这些参数对于评估戈壁土地基在列车动荷载等循环作用下的稳定性和变形特性具有关键意义。试验方法采用应变控制式动三轴仪，将戈壁土制备成圆柱形试样，其直径一般为39.1mm，高度为80mm。首先对试样进行饱和处理，以模拟实际工程中地基土的饱和状态，提高试验的真实性。在试验过程中，先对试样施加一定的围压，模拟地基土在实际工程中的侧向压力。然后，施加轴向动荷载，动荷载一般采用正弦波形式，通过控制动荷载的幅值和频率，来模拟不同的循环荷载工况。在每个工况下，记录试样在循环荷载作用下的应力、应变和孔隙水压力等数据。通过试验，研究戈壁土在循环荷载作用下的动强度、动模量、阻尼比等动力特性参数。动强度是指土体在循环荷载作用下抵抗破坏的能力。随着循环次数的增加，戈壁土的动强度逐渐降低。这是因为在循环荷载的反复作用下，土体颗粒间的结构逐渐被破坏，颗粒间的摩擦力和咬合力减小，导致土体的抗剪强度降低。例如，当循环次数从10次增加到100次时，动强度可能会降低30%-50%。动模量是指土体在动荷载作用下的应力与应变之比，反映了土体抵抗变形的能力。随着动应变的增加，动模量逐渐减小。这是因为动应变的增大使得土体颗粒间的相对位移增大，土体结构的损伤加剧，从而降低了土体的刚度。阻尼比则是反映土体在振动过程中能量耗散的指标。随着循环次数的增加，阻尼比逐渐增大。这是因为在循环荷载作用下，土体内部的摩擦和黏滞作用增强，能量耗散加快，导致阻尼比增大。例如，在循环次数为10次时，阻尼比可能为0.05，而当循环次数增加到100次时，阻尼比可能增大到0.15。通过对这些动力特性参数的研究，可以全面了解戈壁土地基在循环荷载作用下的力学行为，为高速铁路的地基设计和长期稳定性分析提供科学依据。5.2动力特性参数分析通过振动台试验和动三轴试验，获取了戈壁土的动力特性参数，进一步深入分析这些参数的变化规律，对于理解戈壁土地基在动荷载作用下的力学行为具有重要意义。在动模量随应变的变化关系方面，研究结果显示，随着动应变的增加，戈壁土的动模量呈现出逐渐减小的趋势。当动应变较小时，动模量下降较为缓慢，这是因为在小应变阶段，土体颗粒间的结构相对稳定，颗粒间的摩擦力和咬合力能够较好地抵抗变形，使得土体具有较高的刚度。随着动应变的逐渐增大，土体颗粒间的结构开始逐渐被破坏，颗粒间的相对位移增大，土颗粒之间的连接变弱，导致动模量快速下降。例如，当动应变从0.01%增加到0.1%时，动模量可能从初始值的90%下降到70%左右；而动应变从0.1%增加到1%时，动模量可能会进一步下降到50%左右。这种变化规律表明，在高速铁路列车动荷载作用下，当动应变较小时，戈壁土地基能够较好地保持其刚度，为列车运行提供稳定的支撑；但随着动荷载的持续作用，动应变不断增大，地基的刚度会逐渐降低，可能导致地基变形增大，影响列车运行的平稳性。阻尼比与振动频率的关系较为复杂。在低频范围内，阻尼比随着振动频率的增加而略有增大。这是因为在低频振动时，土体内部的能量耗散主要以颗粒间的摩擦和黏滞作用为主，随着振动频率的增加，颗粒间的相对运动加剧，摩擦和黏滞作用增强，使得能量耗散加快，阻尼比增大。在高频范围内，阻尼比则随着振动频率的增加而逐渐减小。这是由于在高频振动下，土体的响应速度较快，来不及充分耗散能量，导致阻尼比降低。例如，当振动频率从5Hz增加到10Hz时，阻尼比可能从0.08增大到0.1；而当振动频率从20Hz增加到30Hz时，阻尼比可能从0.12减小到0.1。这种变化规律对于高速铁路轨道结构的设计具有重要指导意义，在轨道结构设计中，需要根据列车运行的振动频率范围，合理考虑地基阻尼比的影响，以优化轨道结构的减振性能，减少振动对列车运行和周边环境的影响。动强度与循环次数之间也存在明显的变化规律。随着循环次数的增加，戈壁土的动强度逐渐降低。在循环荷载的反复作用下，土体颗粒间的结构不断被破坏，颗粒间的摩擦力和咬合力逐渐减小，导致土体的抗剪强度降低。当循环次数达到一定程度时，动强度可能会急剧下降，土体出现破坏迹象。例如，在循环次数为50次时，动强度可能为初始动强度的80%；而当循环次数增加到150次时，动强度可能降低到初始动强度的50%以下。这表明在高速铁路长期运营过程中，由于列车动荷载的反复作用，戈壁土地基的动强度会逐渐衰减，需要对地基的长期稳定性进行密切监测和评估，采取相应的加固措施，以确保地基能够持续满足高速铁路的承载要求。5.3地震作用下地基响应分析利用数值模拟方法，采用有限元软件ABAQUS建立戈壁土地基的三维数值模型，分析戈壁土地基在地震作用下的加速度、位移、应力等响应，评估地基的抗震稳定性。在模型建立过程中，充分考虑戈壁土的物理力学性质和动力特性参数。根据前期的试验研究结果，确定戈壁土的密度、弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力等物理力学参数，以及动模量、阻尼比等动力特性参数。例如，将戈壁土的密度设置为2.0g/cm³，弹性模量为30MPa，泊松比为0.3，内摩擦角为38°，黏聚力为10kPa。动力特性参数方面，根据动三轴试验得到的动模量和阻尼比与应变、频率的关系，在数值模型中进行合理的设置。模型边界条件的处理对于准确模拟地震作用下的地基响应至关重要。在模型的底部，采用固定边界条件，限制地基在x、y、z三个方向的位移，模拟地基与基岩的刚性连接。在模型的侧面，采用黏弹性人工边界条件，以模拟无限地基的辐射阻尼效应，减少边界反射对计算结果的影响。通过在边界上设置黏弹性材料，将边界上的波动能量以阻尼的形式耗散掉，使模型能够更真实地反映实际地基在地震作用下的波动传播情况。地震波的输入是数值模拟的关键环节。根据戈壁地区的地震地质条件和历史地震记录，选择合适的地震波。常见的地震波有El-Centro波、Taft波等，本研究根据戈壁地区的地震特性，选择了与该地区地震频谱特性相匹配的地震波。对地震波进行处理，调整其幅值和频率，使其符合戈壁地区的设计地震动参数。例如，根据该地区的抗震设防烈度和设计基本地震加速度，将所选地震波的幅值调整为0.2g，以模拟该地区可能发生的中等强度地震。在数值模拟过程中，设置不同的地震工况，如不同的地震波输入方向、不同的地震强度等，分析戈壁土地基在不同工况下的加速度、位移、应力响应。在地震波水平输入工况下，分析地基水平方向的加速度响应。结果显示，在地震波的作用下，地基表面的加速度响应较大，随着深度的增加，加速度逐渐减小。当地震波幅值为0.2g时，地基表面的水平加速度峰值可达0.3g左右，而在深度5m处，加速度峰值减小到0.15g左右。这表明地震作用对地基表面的影响更为显著，随着深度的增加，地震波的能量逐渐衰减。位移响应方面，在地震作用下，地基会产生水平和竖向的位移。水平位移随着深度的增加而逐渐减小，在地基表面，水平位移较大，可能达到几厘米，而在深度10m处，水平位移减小到几毫米。竖向位移则在地基表面也有一定的表现，随着深度的增加，竖向位移逐渐减小。在强震作用下，地基表面的竖向位移可能达到1-2厘米，这对于高速铁路的轨道结构可能会产生一定的影响，需要在设计中予以考虑。应力响应分析表明，在地震作用下，地基中的应力分布发生明显变化。在地基表面，剪应力和正应力都较大，随着深度的增加，应力逐渐减小。在地震波的作用下，地基表面的剪应力峰值可达50-80kPa，正应力峰值可达100-150kPa。这些应力的变化可能会导致地基土体的破坏和变形，尤其是在应力集中的区域，如地基与基础的接触部位，需要特别关注其应力状态，采取相应的加固措施，以提高地基的抗震稳定性。通过对戈壁土地基在地震作用下的加速度、位移、应力等响应的分析，评估地基的抗震稳定性。根据相关的抗震规范和标准，判断地基在不同地震工况下是否满足抗震要求。如果地基的加速度响应、位移响应和应力响应超过了规范规定的限值，则需要采取相应的抗震加固措施，如地基加固、增加基础的刚度等，以提高地基的抗震能力，确保高速铁路在地震作用下的安全运行。六、戈壁土地基工程性质6.1湿陷性6.1.1湿陷性试验为准确判断戈壁土是否具有湿陷性，采用浸水载荷试验这一常用且有效的方法。该试验依据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001，2009年版）中关于湿陷性土现场试验的相关规定进行。试验前，精心选择具有代表性的场地，确保试验结果能真实反映戈壁土地基的特性。在试验场地，按照规范要求，仔细开挖一个试坑，试坑的尺寸严格控制，边长为承压板边长的3倍，以保证试验过程中土体的边界条件符合要求。在试坑底部，放置一块面积为0.5m²的刚性承压板，承压板应放置平稳，确保其与地基土紧密接触，以准确传递荷载。在承压板上，安装高精度的压力传感器和位移传感器，压力传感器用于精确测量施加的荷载大小，位移传感器则用于实时监测承压板的沉降位移，确保数据的准确性。试验过程中，采用分级加载的方式，每级荷载增量控制在25kPa，加载过程缓慢且均匀，以避免对地基土造成过大的冲击。在每级荷载施加后，耐心等待地基土的沉降达到稳定状态，沉降稳定标准设定为每小时的沉降量不超过0.1mm。当荷载逐级增加至预定的试验终止压力后，保持荷载稳定，然后开始向试坑内缓慢注水，使地基土充分浸水饱和。在浸水过程中，密切监测承压板的沉降变化，记录不同时间点的沉降数据。通过对试验数据的深入分析，判断戈壁土是否具有湿陷性。若在浸水后，地基土的沉降量显著增加，且湿陷量与承压板宽度之比大于或等于0.023，则判定该戈壁土具有湿陷性。例如，在某次试验中，承压板宽度为0.707m，浸水后地基土的湿陷量达到16.2mm，湿陷量与承压板宽度之比为0.023，满足湿陷性判定标准，因此可判定该试验点的戈壁土具有湿陷性。除浸水载荷试验外，还可结合室内压缩试验进一步验证戈壁土的湿陷性。室内压缩试验按照《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019）进行，将采集的戈壁土样制成标准环刀试样，在不同压力下进行压缩试验，测定湿陷系数。当湿陷系数大于0.015时，可判定该土样具有湿陷性。通过多种试验方法的综合运用，能更全面、准确地判断戈壁土的湿陷性。6.1.2湿陷性评价与影响因素戈壁土湿陷性的评价指标主要包括湿陷系数、自重湿陷系数等。湿陷系数是指单位厚度的土样在一定压力下浸水饱和后所产生的湿陷变形量，它直观地反映了土样在浸水后的湿陷程度，计算公式为\delta_{s}=\frac{\Deltah_{s}}{h_{0}}，其中\Deltah_{s}为土样浸水后的湿陷变形量，h_{0}为土样的原始厚度。当湿陷系数\delta_{s}\geq0.015时，判定该土层为湿陷性土。自重湿陷系数则是指土样在自重压力下浸水饱和后所产生的湿陷变形量与土样原始厚度之比，用于评价土体在自重作用下的湿陷特性，计算公式为\delta_{zs}=\frac{\Deltah_{zs}}{h_{0}}，其中\Deltah_{zs}为土样在自重压力下浸水后的湿陷变形量。当自重湿陷系数\delta_{zs}\geq0.015时，判定该土层为自重湿陷性土。影响戈壁土湿陷性的因素众多，土的颗粒组成是其中一个重要因素。戈壁土主要由粗颗粒的砾石、砂粒以及少量的粉粒和黏粒组成。当粗颗粒含量较高时，土颗粒间的孔隙较大，结构相对疏松，在浸水后，水分容易进入孔隙，导致土颗粒间的连接被削弱，从而使土体发生湿陷变形。相反，若细颗粒含量相对较多，土颗粒间的排列相对紧密，孔隙较小，湿陷性则相对较弱。例如，在颗粒分析试验中，某戈壁土样中砾石和砂粒含量之和达到80%，其湿陷系数为0.03，表现出较强的湿陷性；而另一个土样中细颗粒含量相对较高，湿陷系数仅为0.012，湿陷性较弱。含水量对戈壁土湿陷性的影响也十分显著。当含水量较低时，土颗粒间的摩擦力较大，土体结构相对稳定。随着含水量的增加，土颗粒间的润滑作用增强，摩擦力减小，土体结构变得不稳定。在浸水过程中，含水量的增加会使土颗粒间的有效应力减小，导致土体发生湿陷变形。研究表明，当含水量达到一定程度时，湿陷系数会急剧增大。例如，当含水量从5%增加到10%时，湿陷系数可能从0.018增大到0.035。压实度同样对湿陷性有着重要影响。压实度较高的戈壁土，土颗粒间的排列紧密，孔隙较小，结构稳定。在相同的浸水条件下，压实度高的土体湿陷性相对较小。通过现场压实试验和湿陷性试验对比发现，压实度为95%的戈壁土样，其湿陷系数为0.016；而压实度为90%的土样，湿陷系数增大到0.022。这表明提高戈壁土的压实度可以有效降低其湿陷性，在工程实践中，应严格控制戈壁土地基的压实度，以减少湿陷性对工程的影响。6.2冻胀性6.2.1冻胀性试验冻胀性试验旨在测定戈壁土在冻结过程中的冻胀量、冻胀力等关键参数，为评估戈壁土地基的冻胀特性提供数据支持。其原理基于土体在冻结过程中，孔隙中的水分结冰体积膨胀，从而产生冻胀现象。当土体温度降至冰点以下时，土中的水分开始结晶，冰晶的生长会对周围土体颗粒产生挤压作用，导致土体体积增大，进而产生冻胀量和冻胀力。试验过程严格遵循相关标准规范进行。首先，精心制备戈壁土试样，从现场采集具有代表性的戈壁土，经过筛分、调配等处理，使其颗粒组成和含水率符合试验要求。将制备好的试样放入特制的冻胀试验装置中，该装置通常由恒温冷冻箱、压力传感器、位移传感器等部分组成。在试验开始前，对装置进行校准和调试，确保各传感器的测量精度满足要求。将试样放入恒温冷冻箱中，按照预定的降温速率逐渐降低温度，模拟实际工程中的冻结过程。在降温过程中，利用位移传感器实时监测试样的竖向变形，即冻胀量；通过压力传感器测量试样对周围约束结构产生的压力，即冻胀力。为了研究不同因素对冻胀性的影响，设置多组对比试验。控制含水率因素时，制备含水率分别为5%、8%、10%的戈壁土试样，在相同的冻结条件下进行试验。结果表明，随着含水率的增加，冻胀量和冻胀力显著增大。当含水率从5%增加到10%时，冻胀量可能从5mm增大到15mm，冻胀力可能从50kPa增大到150kPa。在研究干密度的影响时，制备干密度分别为1.8g/cm³、1.9g/cm³、2.0g/cm³的试样进行试验。发现干密度越大，冻胀量和冻胀力越小。因为干密度较大的土体颗粒排列紧密，孔隙较小，水分含量相对较少，在冻结过程中产生的冻胀变形也就较小。通过这样的试验方法和多组对比试验，能够全面、准确地获取戈壁土在不同条件下的冻胀特性参数，为后续的冻胀性评价和防治措施的