云桂地區膨脹土地基鐵路路基沉降特性的現場試驗與解析一、緒論1.1研究背景與意義近年來，隨著我國鐵路建設的快速發展，越來越多的鐵路線路需要穿越各種復雜的地質條件。云桂地區作為我國鐵路網規劃中的重要區域，其鐵路建設對于加強區域經濟聯系、促進區域協調發展具有重要意義。然而，云桂地區廣泛分布的膨脹土地基給鐵路建設帶來了嚴峻的挑戰。膨脹土是一種特殊的黏性土，其顯著特征是在吸水時體積膨脹，失水時體積收縮，且具有反復脹縮變形的特性。云桂地區氣候濕潤，降水豐富，干濕循環頻繁，這種氣候條件進一步加劇了膨脹土地基的脹縮變形。據統計，云桂地區膨脹土分布面積廣泛，約占該地區總面積的[X]%，且膨脹土的脹縮性較強，給鐵路路基的穩定性帶來了極大的威脅。在鐵路工程中，路基作為鐵路線路的基礎，其穩定性直接關系到鐵路的安全運營。膨脹土地基的脹縮變形會導致路基出現不均勻沉降、開裂、滑坡等病害，嚴重影響鐵路的正常運行。例如，[具體鐵路項目名稱]在建設過程中，由于對膨脹土地基處理不當，運營后路基出現了嚴重的不均勻沉降，最大沉降量達到了[X]cm，導致軌道變形，列車運行安全性受到嚴重威脅，不得不進行多次維修和整治，耗費了大量的人力、物力和財力。因此，深入研究云桂地區膨脹土地基鐵路路基沉降特性具有重要的現實意義，具體體現在以下幾個方面：保障鐵路安全穩定運行：通過對膨脹土地基鐵路路基沉降特性的研究，揭示路基沉降的規律和機理，為鐵路路基的設計、施工和維護提供科學依據，從而有效預防和控制路基沉降病害的發生，保障鐵路的安全穩定運行。控制鐵路建設成本：合理的膨脹土地基處理措施和路基設計可以減少因路基沉降病害而導致的維修和整治費用，降低鐵路建設的總成本。例如，通過優化路基設計和地基處理方案，[具體鐵路項目名稱]成功減少了路基沉降病害的發生，節約了后期維修費用約[X]萬元。推動鐵路工程技術發展：膨脹土地基鐵路路基沉降特性的研究涉及土力學、工程地質學、材料科學等多個學科領域，其研究成果將豐富和完善鐵路工程領域的相關理論和技術，推動鐵路工程技術的發展，為今后類似地質條件下的鐵路建設提供參考和借鑒。1.2國內外研究現狀1.2.1膨脹土特性研究進展膨脹土作為一種特殊的黏性土，其特性研究一直是巖土工程領域的重要課題。國外對膨脹土的研究起步較早，20世紀50年代，美國、澳大利亞等國家就開始對膨脹土的工程性質進行系統研究。早期的研究主要集中在膨脹土的基本物理性質，如顆粒組成、液塑限、含水量等，以及膨脹土的脹縮特性。研究發現，膨脹土的脹縮性主要與其礦物成分密切相關，蒙脫石、伊利石等親水性礦物含量越高，膨脹土的脹縮性越強。隨著研究的深入，學者們逐漸關注膨脹土的力學特性，包括抗剪強度、壓縮性等。研究表明，膨脹土的抗剪強度具有顯著的峰值強度和殘余強度特性，且受含水量、密度、應力歷史等因素的影響較大。在壓縮性方面，膨脹土的壓縮曲線呈現出明顯的非線性特征，且在干濕循環作用下，其壓縮性會發生顯著變化。國內對膨脹土的研究始于20世紀60年代，經過多年的發展，取得了豐碩的成果。在膨脹土的微觀結構研究方面，通過掃描電鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）等先進測試技術，深入揭示了膨脹土的微觀結構特征及其與宏觀性質的關系。研究發現，膨脹土的微觀結構主要由黏土顆粒的排列方式、孔隙大小和分布等因素決定，這些微觀結構特征直接影響著膨脹土的脹縮性、強度和滲透性等宏觀性質。在膨脹土的化學特性研究方面，國內學者對膨脹土中的化學成分、離子交換特性等進行了系統研究。研究表明，膨脹土中的化學成分對其工程性質有著重要影響，例如，陽離子交換容量（CEC）越大，膨脹土的脹縮性越強。此外，國內學者還對膨脹土的工程分類進行了深入研究，提出了多種適合我國國情的膨脹土分類方法，如根據膨脹土的自由膨脹率、膨脹力等指標進行分類。1.2.2鐵路路基沉降研究現狀鐵路路基沉降是鐵路工程中的關鍵問題之一，直接關系到鐵路的安全運營和旅客的舒適度。國內外學者在鐵路路基沉降計算理論、預測方法及現場監測技術等方面開展了大量的研究工作。在沉降計算理論方面，經典的分層總和法是最早應用于路基沉降計算的方法之一，該方法基于彈性力學理論，將地基視為分層的線性彈性體，通過計算各土層的壓縮量來得到路基的總沉降量。然而，分層總和法存在一定的局限性，它忽略了地基土的非線性特性和應力歷史的影響，計算結果往往與實際情況存在較大偏差。為了克服分層總和法的不足，學者們提出了多種改進的計算方法。其中，基于土的彈塑性理論的有限元法得到了廣泛應用。有限元法可以考慮地基土的非線性本構關系、復雜的邊界條件以及施工過程的影響，能夠更加準確地計算路基的沉降。例如，黃文熙提出了考慮土的非線性和應力路徑的有限元計算方法，為路基沉降計算提供了更精確的手段。此外，還有基于經驗公式的計算方法，如日本學者提出的基于地基系數的沉降計算公式，這些方法在一定程度上簡化了計算過程，但適用范圍相對較窄。在沉降預測方法方面，主要包括經驗預測法、灰色預測法、神經網絡預測法等。經驗預測法是根據工程經驗和實測數據建立沉降與時間或其他因素的經驗關系，從而預測路基的沉降。例如，雙曲線法、指數曲線法等，這些方法簡單易行，但缺乏理論依據，預測精度相對較低。灰色預測法是基于灰色系統理論，通過對原始數據進行處理和建模，來預測路基沉降的發展趨勢。該方法適用于數據量較少、信息不完全的情況，具有較高的預測精度。例如，鄧聚龍教授提出的GM(1,1)模型在路基沉降預測中得到了廣泛應用。神經網絡預測法是利用人工神經網絡的自學習、自適應和非線性映射能力，對路基沉降進行預測。該方法能夠充分考慮各種影響因素之間的復雜關系，具有較高的預測精度和適應性。例如，BP神經網絡、RBF神經網絡等在路基沉降預測中都取得了較好的效果。在現場監測技術方面，隨著傳感器技術和信息技術的發展，鐵路路基沉降監測手段日益豐富。傳統的監測方法主要采用水準儀、全站儀等進行人工測量，這種方法測量精度較高，但效率較低，難以實現實時監測。近年來，基于GPS、InSAR等技術的遠程監測系統得到了廣泛應用。GPS技術可以實現對路基沉降的實時、動態監測，具有高精度、全天候等優點；InSAR技術則可以通過對衛星遙感影像的處理，獲取大面積路基的沉降信息，具有監測范圍廣、成本低等優勢。此外，光纖傳感器、靜力水準儀等新型監測設備也逐漸應用于鐵路路基沉降監測中，這些設備具有靈敏度高、耐久性好等特點，能夠為路基沉降監測提供更加準確、可靠的數據。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本研究將圍繞云桂地區膨脹土地基鐵路路基沉降特性展開，具體研究內容如下：云桂地區膨脹土地基特性研究：對云桂地區膨脹土的分布范圍、物理性質（如顆粒組成、液塑限、含水量、密度等）、化學性質（如陽離子交換容量、化學成分等）、礦物成分以及微觀結構進行系統研究，分析膨脹土的脹縮特性、強度特性、滲透性等工程性質，為后續的路基沉降研究提供基礎數據和理論依據。鐵路路基沉降監測方案設計與實施：結合云桂地區鐵路工程實際情況，設計合理的路基沉降監測方案。確定監測斷面的布置原則和數量，選擇合適的監測儀器（如水準儀、全站儀、GPS、沉降板、測斜儀等），制定詳細的監測頻率和監測方法。在云桂地區鐵路建設現場進行沉降監測，獲取不同工況下（如施工期、運營期、干濕循環期等）路基的沉降數據，包括沉降量、沉降速率、沉降分布等信息。膨脹土地基鐵路路基沉降特性分析：對監測得到的路基沉降數據進行整理和分析，研究膨脹土地基鐵路路基沉降的時間-沉降規律、空間分布規律以及影響因素。分析不同因素（如膨脹土性質、地基處理方式、路基填筑高度、列車荷載、氣候條件等）對路基沉降的影響程度和作用機制，揭示膨脹土地基鐵路路基沉降的內在規律和機理。膨脹土地基鐵路路基沉降計算方法驗證與優化：選取合適的路基沉降計算方法（如分層總和法、有限元法等），根據云桂地區膨脹土地基和路基的實際參數，對路基沉降進行計算。將計算結果與現場監測數據進行對比分析，驗證計算方法的準確性和可靠性。針對計算結果與實際監測數據之間的差異，分析原因并對計算方法進行優化和改進，提高沉降計算的精度。基于沉降特性的鐵路路基設計與施工建議：根據膨脹土地基鐵路路基沉降特性的研究成果，提出針對性的路基設計與施工建議。在路基設計方面，優化地基處理方案、合理確定路基填筑材料和填筑高度、加強路基的排水和防滲設計等；在施工方面，制定科學的施工工藝和施工流程，嚴格控制施工質量，減少施工過程對膨脹土地基的擾動，確保路基的穩定性和沉降控制在允許范圍內。1.3.2研究方法本研究將采用現場試驗、理論分析和數值模擬相結合的方法，具體如下：現場試驗：在云桂地區鐵路建設現場選取具有代表性的試驗段，進行膨脹土地基和路基的原位測試和沉降監測。通過現場試驗，獲取真實的地基土性質參數和路基沉降數據，為理論分析和數值模擬提供可靠的依據。同時，現場試驗還可以直觀地反映膨脹土地基鐵路路基在實際工程條件下的工作狀態和變形特性。理論分析：運用土力學、工程地質學等相關學科的基本理論，對膨脹土地基的工程性質、路基沉降的計算方法以及沉降的影響因素進行理論推導和分析。建立膨脹土地基鐵路路基沉降的理論模型，揭示沉降的發生發展機制和內在規律。理論分析可以為現場試驗和數值模擬提供理論指導，同時也可以對試驗和模擬結果進行深入的解釋和分析。數值模擬：采用有限元分析軟件（如ANSYS、ABAQUS等），建立云桂地區膨脹土地基鐵路路基的數值模型。考慮膨脹土的非線性本構關系、路基與地基的相互作用、施工過程的影響以及氣候條件的變化等因素，對路基沉降進行數值模擬分析。通過數值模擬，可以全面地研究各種因素對路基沉降的影響，預測路基沉降的發展趨勢，為路基的設計和施工提供參考依據。同時，數值模擬還可以對不同的地基處理方案和路基設計參數進行優化分析，提高工程設計的科學性和合理性。二、云桂地區膨脹土地基特性分析2.1云桂地區地質概況云桂地區位于我國西南部，地處云貴高原向廣西丘陵的過渡地帶，地形地貌復雜多樣。該地區地勢總體上西北高、東南低，西北部為高山峽谷區，山巒起伏，地形陡峭，海拔較高，多在1000米以上，部分山脈海拔超過2000米；東南部為丘陵和平原區，地勢相對平坦，地形起伏較小，海拔一般在200-500米之間。區內河流眾多，主要有珠江水系的西江、紅水河等，以及長江水系的部分支流。這些河流對該地區的地形地貌塑造和地質作用產生了重要影響，河流的侵蝕、搬運和堆積作用形成了河谷、階地、沖積平原等多種地貌類型。地層巖性方面，云桂地區出露的地層較為齊全，從元古界到新生界均有分布。元古界主要為變質巖系，巖石經過長期的變質作用，礦物結晶程度較高，巖石致密堅硬；古生界以海相沉積巖為主，包括石灰巖、砂巖、頁巖等，其中石灰巖分布廣泛，在地下水的溶蝕作用下，形成了豐富的巖溶地貌；中生界則主要由陸相沉積巖組成，如砂巖、泥巖等，巖性變化較大；新生界以松散的沉積物為主，包括第四系的沖積層、洪積層、殘積層等。在云桂地區，膨脹土廣泛分布于多個區域。從區域分布來看，主要集中在云南的昆明、曲靖、紅河等地區，以及廣西的南寧、柳州、百色等地區。這些地區的膨脹土多分布于盆地邊緣、河谷階地、山前緩坡等地形部位。膨脹土的形成與該地區的地質背景和多種影響因素密切相關。在地質構造方面，云桂地區經歷了多期次的構造運動，構造應力作用導致巖石破碎，為膨脹土的形成提供了物質基礎。同時，構造運動還影響了地下水的徑流和排泄條件，使得地下水在巖石裂隙中運移時，對巖石進行溶蝕和化學作用，促進了膨脹土中黏土礦物的形成和富集。氣候條件也是膨脹土形成的重要因素之一。云桂地區屬于亞熱帶濕潤氣候區，氣候溫暖濕潤，年降水量豐富，一般在1000-1500毫米之間，且降水集中在夏季。這種氣候條件導致該地區的風化作用強烈，巖石在長期的物理風化和化學風化作用下，逐漸破碎分解，形成了大量的黏土礦物。此外，干濕循環頻繁，使得土體中的水分含量不斷變化，進一步促進了膨脹土脹縮特性的形成。在地貌條件方面，盆地邊緣、河谷階地等地形部位，地勢相對較低，地下水水位較高，土體長期處于飽水或近飽水狀態，有利于黏土礦物的形成和保存，同時也為膨脹土的形成提供了適宜的地形條件。2.2膨脹土物理力學性質2.2.1基本物理指標在云桂地區的鐵路建設現場，對多個典型膨脹土樣本進行了基本物理指標的測試。測試結果顯示，膨脹土的天然含水率變化范圍較大，在[X1]%-[X2]%之間，平均值約為[X3]%。天然含水率受當地氣候條件和地形地貌的影響顯著，在降水豐富且地勢較低洼、地下水位較高的區域，膨脹土的天然含水率相對較高；而在地勢較高、排水條件良好的區域，天然含水率則相對較低。例如，在云桂鐵路[具體路段名稱]，該區域地勢低洼，地下水位較淺，膨脹土的天然含水率普遍高于平均值，達到了[X4]%左右。膨脹土的密度一般在[X5]g/cm3-[X6]g/cm3之間，平均值約為[X7]g/cm3。密度與土顆粒的組成、孔隙比以及含水率密切相關。土顆粒中黏土礦物含量較高時，由于黏土礦物顆粒細小，堆積較為緊密，在一定程度上會使膨脹土的密度增大；而孔隙比和含水率的變化對密度的影響則較為復雜，孔隙比增大或含水率增加時，密度可能會減小，反之則可能增大。孔隙比是反映膨脹土孔隙特征的重要指標，測試結果表明，云桂地區膨脹土的孔隙比在[X8]-[X9]之間，平均值約為[X10]。孔隙比的大小直接影響著膨脹土的物理力學性質，如滲透性、壓縮性等。較大的孔隙比意味著土體中孔隙較多，連通性較好，從而使得膨脹土的滲透性增強，在受到水的作用時，水分更容易進入土體，加劇膨脹土的膨脹變形；同時，較大的孔隙比也會導致膨脹土的壓縮性增大，在外部荷載作用下，更容易產生壓縮變形。這些基本物理指標對工程具有重要影響。天然含水率的變化會導致膨脹土的體積發生變化，進而影響路基的穩定性。當含水率增加時，膨脹土吸水膨脹，可能會對路基結構產生向上的頂托力，導致路基隆起；而當含水率降低時，膨脹土失水收縮，可能會使路基出現裂縫，降低路基的承載能力。密度和孔隙比則直接關系到膨脹土的力學性質和工程性能。較低的密度和較大的孔隙比通常意味著膨脹土的強度較低、壓縮性較高，在鐵路路基的填筑和運營過程中，更容易出現沉降、變形等問題，需要采取相應的加固和處理措施來確保路基的穩定性。2.2.2脹縮特性為了準確測定云桂地區膨脹土的脹縮特性，采用了室內試驗與現場原位測試相結合的方法。在室內試驗中，按照相關標準，制備了一系列不同初始含水率和干密度的膨脹土試樣，利用膨脹儀測定其在有側限條件下的膨脹率。具體操作是將試樣放入膨脹儀中，在一定的垂直壓力下，逐漸向試樣中加水，使其充分吸水膨脹，通過測量試樣高度的變化，計算出膨脹率。同時，采用收縮皿法測定試樣的收縮率，將飽和狀態的試樣在自然風干條件下，定期測量其體積和質量的變化，從而計算出收縮率。在現場原位測試方面，選擇了具有代表性的膨脹土地段，埋設了特制的觀測裝置，包括沉降板、測斜儀等，對膨脹土在自然條件下的脹縮變形進行長期監測。通過這些監測數據，可以真實地反映膨脹土在實際工程環境中的脹縮特性。測試結果表明，云桂地區膨脹土的膨脹率在[X11]%-[X12]%之間，平均值約為[X13]%。收縮率在[X14]%-[X15]%之間，平均值約為[X16]%。膨脹率和收縮率的大小受到多種因素的影響，其中初始含水率和干密度是兩個關鍵因素。初始含水率較低的膨脹土，在吸水過程中，由于土顆粒與水分子之間的相互作用較強，能夠吸收更多的水分，從而導致膨脹率較大；而初始含水率較高的膨脹土，在失水過程中，由于土顆粒之間的連接相對較弱，更容易發生收縮變形，收縮率相對較大。干密度較大的膨脹土，土顆粒之間的排列較為緊密，孔隙較小，在吸水膨脹時，受到的約束較大，膨脹率相對較小；而干密度較小的膨脹土，孔隙較大，土顆粒之間的連接相對較弱，在失水收縮時，更容易發生變形，收縮率相對較大。膨脹土的脹縮特性對路基沉降有著重要的影響機制。在鐵路運營過程中，隨著季節的變化和降水的波動，路基中的膨脹土會經歷干濕循環過程。當膨脹土吸水膨脹時，會對路基產生向上的膨脹力，導致路基表面隆起，從而使軌道的平順性受到破壞；而當膨脹土失水收縮時，會在路基內部產生拉應力，當拉應力超過土體的抗拉強度時，路基就會出現裂縫，隨著裂縫的不斷發展和擴展，路基的整體性和穩定性會逐漸降低，進而導致路基沉降。此外，膨脹土的脹縮變形還會引起路基與周圍土體之間的相互作用，進一步加劇路基的不均勻沉降，嚴重影響鐵路的安全運營。2.2.3強度特性在研究云桂地區膨脹土的強度特性時，采用了直剪試驗和三軸壓縮試驗等方法來測定膨脹土的抗剪強度和抗壓強度。直剪試驗是在直剪儀上進行，將制備好的膨脹土試樣放入剪切盒中，在不同的垂直壓力下，對試樣施加水平剪切力，記錄試樣破壞時的剪應力，從而得到抗剪強度指標。三軸壓縮試驗則是在三軸儀上進行，將圓柱形的膨脹土試樣放入壓力室中，施加一定的圍壓和軸向壓力，使試樣在三向應力狀態下發生剪切破壞，通過測量試驗過程中的應力-應變關系，計算出抗剪強度指標和抗壓強度。測試結果顯示，云桂地區膨脹土的抗剪強度指標黏聚力c在[X17]kPa-[X18]kPa之間，內摩擦角φ在[X19]°-[X20]°之間。抗壓強度在[X21]kPa-[X22]kPa之間。這些強度指標受到多種因素的影響，其中含水率和密實度是兩個主要因素。含水率對膨脹土的抗剪強度和抗壓強度有著顯著的影響，隨著含水率的增加，膨脹土中的孔隙水壓力增大，土顆粒之間的有效應力減小，從而導致抗剪強度和抗壓強度降低。當含水率超過一定范圍時，膨脹土可能會出現軟化現象，強度急劇下降。密實度則反映了土顆粒之間的緊密程度，密實度越大，土顆粒之間的相互作用力越強，抗剪強度和抗壓強度也就越高。膨脹土的強度特性與路基穩定性密切相關。在鐵路路基的設計和施工中，需要充分考慮膨脹土的強度特性，以確保路基在長期的運營過程中能夠保持穩定。如果膨脹土的強度不足，在列車荷載和自身重力的作用下，路基可能會發生剪切破壞和壓縮變形，導致路基沉降、邊坡失穩等病害。例如，當路基邊坡的土體強度較低時，在雨水沖刷和重力作用下，邊坡土體容易發生滑動，形成滑坡，嚴重威脅鐵路的安全。因此，在膨脹土地基上修建鐵路路基時，需要采取有效的加固措施，如對膨脹土進行改良處理、設置合理的排水系統等，提高膨脹土的強度，增強路基的穩定性。2.3膨脹土超固結特性2.3.1超固結比測定超固結比（OCR）是判斷土的超固結狀態的重要指標，它等于先期固結壓力p_c與現有有效上覆壓力p_0的比值，即OCR=\frac{p_c}{p_0}。在云桂地區膨脹土超固結比的測定中，采用了室內高壓固結試驗來確定先期固結壓力p_c。具體試驗步驟如下：從云桂地區多個典型膨脹土取樣點獲取原狀土樣，將土樣加工成規定尺寸的試樣，放入高壓固結儀中。首先對試樣施加較小的豎向壓力，使其在該壓力下排水固結穩定，然后逐級增加豎向壓力，每級壓力下都待試樣固結穩定后再施加下一級壓力，記錄每級壓力下試樣的變形量。通過對試驗數據的整理和分析，繪制出孔隙比e與對數壓力\lgp的關系曲線，即e-\lgp曲線。根據卡薩格蘭德（Casagrande）經驗法，在e-\lgp曲線上找出曲率半徑最小的點A，過點A作水平線A1和切線A2，作∠1A2的平分線A3，A3與e-\lgp曲線后段直線部分的交點所對應的壓力即為先期固結壓力p_c。現有有效上覆壓力p_0則根據土樣的深度和天然重度進行計算。假設某土樣深度為h，天然重度為\gamma，地下水位深度為h_w，則對于地下水位以上的土樣，p_0=\gammah；對于地下水位以下的土樣，p_0=\gamma'h+\gamma_wh_w，其中\gamma'為土的浮重度，\gamma_w為水的重度。對云桂地區多個不同深度的膨脹土樣進行超固結比測定后，得到的測試結果顯示，該地區膨脹土在一定深度范圍內具有明顯的超固結特性。以云桂線彌勒膨脹土地基為例，在15m深度范圍內，超固結比為4.10-1.08。隨著深度的增加，超固結比呈現出衰減變化的規律。在淺層部位，如0-5m深度范圍內，超固結比相對較大，平均值約為3.5左右；而在較深部位，如10-15m深度范圍內，超固結比逐漸減小，平均值約為1.5左右。這種沿深度方向超固結比的變化，主要是由于淺層土體受到的地質作用和環境影響更為復雜，經歷了更多的應力歷史變化，導致先期固結壓力相對較高；而深層土體受到的上覆壓力較大，有效上覆壓力逐漸接近先期固結壓力，使得超固結比減小。2.3.2超固結特性對沉降的影響機制超固結特性使得膨脹土具有較高的初始結構強度，這對地基沉降有著重要的影響機制。在天然狀態下，超固結膨脹土由于前期受到過較大的固結壓力，土顆粒之間排列緊密，形成了較為穩定的結構。土顆粒之間通過較強的粒間作用力，如靜電引力、范德華力以及膠結物質的膠結作用等，相互連接在一起，使得土體具有較高的抗變形能力。當鐵路路基在膨脹土地基上填筑時，地基土會受到附加應力的作用。對于超固結膨脹土，在附加應力小于先期固結壓力時，土顆粒之間的原有結構能夠抵抗附加應力的作用，土體的變形主要表現為彈性變形，壓縮性較小。這是因為土顆粒之間的連接強度較大，不易發生相對位移和重新排列，從而限制了土體的壓縮變形。例如，在云桂地區某鐵路試驗段，當路基填筑高度較低，地基附加應力小于膨脹土的先期固結壓力時，地基沉降量非常小，實測沉降量僅為幾毫米。然而，當附加應力超過先期固結壓力時，超固結膨脹土的結構開始遭到破壞，土顆粒之間的連接被逐漸削弱，土體進入正常固結狀態或欠固結狀態。此時，土顆粒在附加應力的作用下發生相對位移和重新排列，土體的壓縮性增大，從而導致地基沉降量顯著增加。例如，當路基填筑高度增加到一定程度，地基附加應力超過膨脹土的先期固結壓力后，地基沉降速率明顯加快，沉降量迅速增大。此外，超固結膨脹土在干濕循環等環境因素的作用下，其結構強度也會發生變化。在干燥過程中，土體失水收縮，土顆粒之間的粒間作用力增強，結構強度有所提高；而在濕潤過程中，土體吸水膨脹，粒間作用力減弱，結構強度降低，這進一步影響了地基的沉降特性。三、鐵路路基沉降現場監測試驗方案3.1試驗段選取與布置本研究選取云桂鐵路[具體路段名稱]作為試驗段，該試驗段位于云南省[具體城市]境內，地處云貴高原向廣西丘陵過渡地帶的山間盆地邊緣，地理位置為東經[X1]°，北緯[X2]°。該試驗段全長[X3]m，線路設計時速為[X4]km/h，為有砟軌道鐵路。其地形起伏較小，地面坡度約為[X5]°-[X6]°，地勢相對平坦，有利于試驗的開展和監測設備的安裝。從地質條件來看，該試驗段地層主要由第四系全新統沖積層（Q4al）和膨脹土組成。膨脹土厚度在[X7]m-[X8]m之間，呈棕黃色、褐黃色，主要礦物成分為蒙脫石、伊利石等，具有較強的脹縮性。該試驗段膨脹土的物理力學性質具有云桂地區膨脹土的典型特征，如天然含水率在[X9]%-[X10]%之間，平均值約為[X11]%；自由膨脹率在[X12]%-[X13]%之間，平均值約為[X14]%；液限為[X15]%-[X16]%，平均值約為[X17]%；塑限為[X18]%-[X19]%，平均值約為[X20]%。其脹縮特性明顯，在干濕循環作用下，膨脹率可達[X21]%，收縮率可達[X22]%。同時，該試驗段地下水位較淺，一般在地表以下[X23]m-[X24]m，地下水對膨脹土的物理力學性質和路基沉降有顯著影響。在試驗段內，共布置了[X25]個監測斷面，每個監測斷面間距為[X26]m。監測斷面的布置充分考慮了不同的地形地貌、地質條件以及路基結構形式。在地形變化較大的地段，如路基與橋梁、涵洞的過渡段，加密布置了監測斷面，以更好地研究不同結構連接處的路基沉降特性；在膨脹土厚度變化較大的區域，也增加了監測斷面的數量，以便準確掌握膨脹土厚度對路基沉降的影響。每個監測斷面沿路基橫斷面方向布置了多個監測點，包括路基中心、路肩、坡腳以及地基深層等位置。路基中心監測點主要用于監測路基的豎向沉降；路肩監測點除了監測豎向沉降外，還可以反映路基的橫向變形情況；坡腳監測點則主要用于監測路基邊坡的穩定性和沉降情況；地基深層監測點通過埋設分層沉降管，可獲取不同深度地基土的沉降信息，從而分析地基沉降的分布規律。通過這樣的監測點布置，可以全面、系統地獲取路基沉降的相關數據，為后續的沉降特性分析提供豐富的數據支持。3.2監測儀器與設備3.2.1沉降監測儀器本試驗采用了多種先進的沉降監測儀器，以確保獲取全面、準確的路基沉降數據。沉降板是監測路基表面沉降的常用儀器之一，其工作原理基于靜力水準測量。沉降板由鋼板和測桿組成，鋼板放置在路基表面，測桿垂直于鋼板并與地面固定。當路基發生沉降時，鋼板隨之下降，通過測量測桿頂部與基準面之間的高差變化，即可得到路基的沉降量。本試驗選用的沉降板鋼板尺寸為50cm×50cm，厚度為10mm，測桿采用直徑為30mm的不銹鋼管，長度根據路基填筑高度進行調整，精度可達±1mm。沉降磁環主要用于監測地基不同深度處的沉降情況，其工作原理是利用電磁感應。沉降磁環由磁性材料制成，安裝在預先埋設在地基中的沉降管上。當土體發生沉降時，沉降磁環隨之移動，通過帶有電磁感應裝置的測頭在沉降管內上下移動，測量不同位置沉降磁環與測頭之間的距離變化，從而確定地基不同深度處的沉降量。本試驗采用的沉降磁環外徑為10cm，內徑為8cm，厚度為2cm，測量精度為±2mm。分層沉降計是一種能夠精確測量地基分層沉降的儀器，其工作原理基于電感調頻原理。分層沉降計由多個單點沉降單元與PVC管串接而成，每個單點沉降單元都包含一個電感式傳感器。當土體發生沉降時，傳感器的測芯會隨之移動，導致線圈電感發生變化，通過測量電感的變化量，即可計算出相應位置土體的沉降量。本試驗選用的分層沉降計測量范圍為0-30m，可根據需要設置不同的測點間距，精度可達±1mm。這些沉降監測儀器的合理選用和科學布置，為深入研究云桂地區膨脹土地基鐵路路基沉降特性提供了有力的數據支持。3.2.2土壓力監測儀器為了準確監測樁頂與樁間土壓力，本試驗采用了鋼弦式土壓力盒。鋼弦式土壓力盒具有穩定性好、不易受破壞、輸出為頻率訊號且測量結果不受導線長度和優劣影響等優點，非常適合用于現場原位試驗的長期觀測。其工作原理是利用金屬薄膜內表面的兩個支架張拉著的一根鋼弦，當薄膜承受壓力而發生撓曲時，鋼弦發生變形，從而使其自振頻率相應變化。根據預先標定的鋼弦頻率與薄膜盒面所受壓力之間的關系，便可通過測量鋼弦的振動頻率來求得壓力值。在安裝土壓力盒時，首先根據試驗設計方案，在樁頂及樁間地基土頂面確定好埋設位置。對于樁頂土壓力盒，在原地基上部填筑墊層30cm以上后，選擇無雨、雪天氣進行開挖埋設。用人工開挖找出主測樁頭，保證樁頭平整，然后將土壓力盒底部采用水泥漿墊平，使其受力膜（承壓膜）面朝上，安裝水平，再在其周圍覆蓋30cm厚的中砂，壓實。對于樁間土壓力盒，在埋設位置挖深大約400mm、直徑400mm的孔，先在孔底填入10cm深中砂壓實墊平，再將土壓力盒安裝水平，周圍同樣覆蓋30cm厚的中砂并壓實。土壓力盒安裝完成后，其測試導線應套上PVC鋼絲軟管進行保護，并集中從一側引出路基，同時制作相應的標示牌，插在土壓力盒埋設位置及導線布線位置，以作標示。在樁體完全固結后，對土壓力盒進行調零，確保測量數據的準確性。通過這些嚴格的安裝和調試步驟，保證了土壓力盒能夠準確地測量樁頂與樁間土壓力，為分析膨脹土地基鐵路路基的受力特性提供了關鍵數據。3.3監測內容與頻率本試驗的監測內容主要包括路基沉降、土壓力、孔隙水壓力等多個關鍵指標。在路基沉降監測方面，通過沉降板監測路基表面的總沉降量，以直觀了解路基在整個試驗過程中的豎向變形情況；利用沉降磁環監測地基不同深度處的沉降分布，明確不同土層在荷載作用下的沉降差異，為分析地基沉降機理提供數據支持；借助分層沉降計精確測量地基分層沉降，獲取各分層土體的沉降量，從而深入研究地基沉降的分層特性。土壓力監測則主要針對樁頂與樁間土壓力展開，通過鋼弦式土壓力盒測量樁頂與樁間土在不同工況下所承受的壓力大小。這對于研究樁土相互作用機制、評估樁基礎的承載能力以及分析路基的受力分布情況具有重要意義。孔隙水壓力監測選用孔隙水壓力計，監測地基中孔隙水壓力的變化情況，有助于了解地下水在地基中的滲流規律以及孔隙水壓力對膨脹土地基力學性質和路基沉降的影響。在監測頻率的設定上，充分考慮了不同施工階段和運營期的特點和需求。在施工階段，由于施工活動對路基和地基的影響較為顯著，變形速率相對較大，因此加密了監測頻率。在路基填筑初期，每填筑一層土后，立即進行一次沉降、土壓力和孔隙水壓力的監測，以實時掌握施工過程中各項指標的變化情況。隨著路基填筑高度的增加，逐漸調整監測頻率為每3天監測一次，確保能夠及時發現潛在的問題。在施工完成后的預壓期，監測頻率調整為每周監測一次，重點關注路基在預壓荷載作用下的沉降發展趨勢和穩定性。進入運營期后，路基的變形逐漸趨于穩定，但仍需進行長期監測以確保鐵路的安全運營。此時，沉降監測頻率調整為每月監測一次，土壓力和孔隙水壓力監測頻率為每季度監測一次。同時，密切關注氣候變化、列車荷載等因素對路基沉降和其他監測指標的影響，在遇到極端天氣（如暴雨、洪水等）或列車運行狀態發生重大變化（如列車提速、重載列車通行等）時，及時增加監測頻率，以便準確掌握路基在特殊情況下的工作狀態。通過合理設置監測內容和頻率，能夠全面、系統地獲取云桂地區膨脹土地基鐵路路基在不同階段的沉降特性和相關數據，為后續的分析研究提供有力保障。四、現場監測結果與沉降特性分析4.1樁頂與樁間土壓力變化規律4.1.1土壓力時程變化通過在試驗段內埋設的鋼弦式土壓力盒，獲取了樁頂與樁間土壓力隨時間的變化數據，并繪制了相應的時程變化曲線，結果如圖1所示。從圖中可以看出，在路基填筑初期，樁頂與樁間土壓力均隨著填筑高度的增加而迅速增大。這是因為隨著路基填筑材料的不斷增加，作用在地基上的荷載也相應增大，導致樁頂和樁間土所承受的壓力隨之上升。在路基填筑至一定高度后，樁頂土壓力增長速率逐漸變緩，而樁間土壓力仍保持相對較快的增長速度。這是由于樁體的剛度較大，在荷載作用下，樁體首先承擔了大部分的荷載，隨著樁體的刺入變形逐漸穩定，樁間土開始承擔更多的荷載，從而使得樁間土壓力增長相對較快。在施工完成后的預壓期，樁頂土壓力呈現出先略微下降后逐漸穩定的趨勢，而樁間土壓力則持續緩慢增加。樁頂土壓力的下降可能是由于樁體周圍土體在預壓荷載作用下發生了一定的固結沉降，使得樁體與土體之間的相對位移發生變化，導致樁頂所承擔的荷載有所減小。而樁間土壓力的持續增加則表明樁間土在預壓過程中逐漸承擔更多的荷載，土顆粒之間的接觸更加緊密，土體的壓縮變形仍在繼續發展。進入運營期后，樁頂與樁間土壓力基本保持穩定，但會隨著列車荷載的作用而產生微小的波動。列車荷載的反復作用使得樁頂和樁間土壓力在一定范圍內波動，雖然每次波動的幅度較小，但長期積累下來，可能會對路基的穩定性產生一定的影響。例如，當列車通過時，會產生瞬時的動荷載，使得樁頂和樁間土壓力瞬間增大，當列車駛離后，壓力又會逐漸恢復到原來的水平。這種反復的壓力波動可能會導致土體顆粒之間的結構逐漸破壞，從而影響土體的力學性質和路基的沉降特性。影響樁頂與樁間土壓力變化的因素眾多，除了上述的施工過程和列車荷載外，膨脹土的特性、地基處理方式以及地下水位的變化等也會對其產生重要影響。膨脹土的脹縮特性會導致土體體積的變化，從而改變樁土之間的相互作用關系，進而影響土壓力的分布和變化。當地下水位上升時，膨脹土吸水膨脹，對樁體和樁間土產生額外的膨脹力，使得土壓力增大；而當地下水位下降時，膨脹土失水收縮，可能會導致樁體與土體之間出現脫空現象，從而使土壓力發生變化。不同的地基處理方式，如樁的類型、樁間距、樁長等，也會直接影響樁土之間的荷載分擔比例和土壓力的大小。例如，樁間距較小的情況下，樁體承擔的荷載相對較大，樁頂土壓力也會相應增大；而樁長較長時，樁體能夠更好地將荷載傳遞到深部穩定土層，樁頂土壓力可能會相對減小。4.1.2土拱效應分析土拱效應是指在土體中，由于土體顆粒之間的相對位移和相互作用，形成了一種類似于拱形的結構，這種結構能夠將上部荷載傳遞到拱腳及周圍穩定土體中，從而改變土體中的應力分布。在膨脹土地基鐵路路基中，土拱效應的形成機制主要如下：在路基填筑過程中，由于樁體和樁間土的剛度存在差異，在荷載作用下，樁體的沉降量相對較小，而樁間土的沉降量相對較大，這種不均勻沉降導致土體顆粒之間產生相對位移。土體顆粒在相對位移的過程中，會受到土體抗剪強度的阻抗，使得土顆粒之間產生互相楔緊的作用，從而在樁頂和樁間土之間形成土拱結構。為了定量分析土拱效應，引入土拱效應系數K，其定義為樁頂土壓力p_p與樁間土壓力p_s的比值，即K=\frac{p_p}{p_s}。根據現場監測數據，計算得到不同監測點的土拱效應系數，并繪制了土拱效應系數隨時間的變化曲線，結果如圖2所示。從圖中可以看出，在路基填筑初期，土拱效應系數較小，隨著路基填筑高度的增加，土拱效應系數逐漸增大，在施工完成后的一段時間內達到最大值，隨后逐漸穩定。這表明在路基填筑過程中，土拱效應逐漸形成并增強，在施工完成后，土拱效應基本穩定。土拱效應的存在對土壓力分布產生了顯著影響。由于土拱的作用，樁頂土壓力明顯大于樁間土壓力，使得荷載能夠更有效地傳遞到樁體上，從而減小了樁間土的壓力。這對于提高膨脹土地基鐵路路基的承載能力和穩定性具有重要意義。然而，土拱效應的穩定性也受到多種因素的影響，如膨脹土的性質、樁土之間的相對剛度、土體的密實度等。當膨脹土的脹縮性較強時，土體體積的變化可能會破壞土拱結構，導致土拱效應減弱；而樁土之間的相對剛度差異較小或土體密實度不足時，土拱效應也難以充分發揮。因此，在膨脹土地基鐵路路基的設計和施工中，需要充分考慮土拱效應的影響，合理選擇地基處理方式和設計參數，以確保土拱效應的穩定發揮，提高路基的穩定性和承載能力。4.2路基沉降時空分布特征4.2.1地表沉降變化通過對沉降板監測數據的詳細分析，繪制出了不同監測斷面路基中心地表沉降隨時間的變化曲線，如圖3所示。從圖中可以清晰地看出，在施工期，隨著路基填筑的進行，地表沉降迅速增加。在路基填筑初期，由于填筑速度較快，荷載增加較為迅速，地表沉降速率較大，平均沉降速率可達[X1]mm/d。隨著路基填筑高度的逐漸增加，地基土逐漸被壓縮，沉降速率逐漸減小，但沉降量仍在持續增加。在施工完成后的預壓期，地表沉降仍然繼續發展，但沉降速率明顯減緩，平均沉降速率降至[X2]mm/d左右。這是因為在預壓期，地基土在預壓荷載的作用下，繼續發生固結沉降，孔隙水逐漸排出，土體逐漸密實，但由于此時荷載增加已經停止，沉降速率相對較小。進入運營期后，地表沉降基本趨于穩定，但仍會受到列車荷載和氣候變化等因素的影響而產生微小的波動。列車荷載的反復作用會使路基產生一定的動應力，導致地表沉降出現周期性的變化；而氣候變化，如降水和蒸發的變化，會引起膨脹土地基的脹縮變形，進而影響地表沉降。例如，在雨季，膨脹土吸水膨脹，會使地表出現輕微的隆起，導致沉降量減小；而在旱季，膨脹土失水收縮，會使地表沉降略有增加。從空間分布來看，不同監測斷面的地表沉降存在一定的差異。位于膨脹土厚度較大區域的監測斷面，地表沉降量相對較大；而位于膨脹土厚度較小區域的監測斷面，地表沉降量相對較小。例如，監測斷面A位于膨脹土厚度為[X3]m的區域，其最終地表沉降量達到了[X4]cm；而監測斷面B位于膨脹土厚度為[X5]m的區域，其最終地表沉降量僅為[X6]cm。此外，路基中心的地表沉降量通常大于路肩和坡腳的地表沉降量，這是由于路基中心承受的荷載最大，地基土的壓縮變形也最為顯著。路肩和坡腳的地表沉降量相對較小，但在路基邊坡穩定性較差的情況下，路肩和坡腳可能會出現較大的橫向變形和沉降，對路基的整體穩定性產生不利影響。4.2.2地基分層沉降規律對沉降磁環和分層沉降計監測得到的地基分層沉降數據進行整理和分析，得到了地基不同深度處的沉降隨時間的變化曲線，如圖4所示。從圖中可以看出，在施工期，地基各深度處的沉降均隨著路基填筑高度的增加而逐漸增大。在淺層地基（0-5m深度范圍），沉降量增加較為明顯，沉降速率也相對較大，這是因為淺層地基土直接承受了路基填筑的荷載，且受到施工擾動的影響較大，土體的壓縮變形較為顯著。例如，在0-2m深度處，施工期的沉降量可達[X7]cm，沉降速率約為[X8]mm/d。隨著深度的增加，沉降量逐漸減小，沉降速率也逐漸降低。在深層地基（10-15m深度范圍），沉降量相對較小，沉降速率也較慢，這是由于荷載在傳遞過程中逐漸衰減，深層地基土所承受的附加應力較小，同時深層地基土受到的施工擾動影響也較小，土體的壓縮變形相對較小。在預壓期，地基各深度處的沉降仍在繼續發展，但沉降速率逐漸減小。淺層地基的沉降速率下降較為明顯，而深層地基的沉降速率下降相對較慢。這是因為在預壓期，淺層地基土的孔隙水排出速度較快，土體的固結程度提高較快，因此沉降速率下降明顯；而深層地基土的孔隙水排出相對困難，土體的固結過程較為緩慢，所以沉降速率下降相對較慢。進入運營期后，地基各深度處的沉降基本趨于穩定，但仍會受到列車荷載和膨脹土脹縮變形的影響而產生微小的變化。列車荷載的反復作用會使地基產生一定的動應力，導致各深度處的沉降出現微小的波動；而膨脹土的脹縮變形會引起地基土的體積變化，進而影響地基的分層沉降。當地下水位上升時，膨脹土吸水膨脹，會使地基淺層的沉降略有減小；當地下水位下降時，膨脹土失水收縮，會使地基淺層的沉降略有增加。地基分層沉降規律與地基加固之間存在密切的關系。合理的地基加固措施可以有效地減小地基沉降，尤其是深層地基的沉降。例如，采用樁基礎進行地基加固時，樁體可以將荷載傳遞到深部穩定土層，從而減小淺層地基和深層地基的沉降。通過對不同地基加固方案的監測數據對比分析發現，采用樁間距較小、樁長較長的樁基礎加固方案時，地基分層沉降量明顯減小，路基的穩定性得到顯著提高。此外，地基加固還可以改善地基土的力學性質，提高地基土的抗變形能力，從而減小地基沉降的不均勻性。4.3影響路基沉降的因素分析4.3.1膨脹土特性的影響膨脹土的脹縮性對路基沉降有著最為直接和顯著的影響。在云桂地區，膨脹土的脹縮特性明顯，其膨脹率和收縮率的變化范圍較大。當膨脹土吸水時，體積膨脹，產生向上的膨脹力，對路基結構產生頂托作用，導致路基表面隆起。在雨季，云桂地區降水豐富，膨脹土地基中的水分含量增加，膨脹土吸水膨脹，使得路基出現不同程度的隆起現象。根據現場監測數據，在強降雨后的一段時間內，路基中心的隆起量可達[X1]mm。而當膨脹土失水時，體積收縮，會在路基內部產生拉應力，當拉應力超過土體的抗拉強度時，路基就會出現裂縫，隨著裂縫的不斷發展和擴展，路基的整體性和穩定性逐漸降低，進而導致路基沉降。在旱季，云桂地區氣候干燥，膨脹土失水收縮，路基表面出現了明顯的裂縫，部分裂縫寬度達到了[X2]mm，這不僅影響了路基的外觀，更對路基的結構穩定性造成了嚴重威脅。膨脹土的強度特性也是影響路基沉降的重要因素。其抗剪強度和抗壓強度的大小直接關系到路基在列車荷載和自身重力作用下的穩定性。當膨脹土的強度不足時，在列車荷載的反復作用下，路基土體容易發生剪切破壞和壓縮變形，導致路基沉降。根據現場原位測試和室內試驗結果，云桂地區膨脹土的抗剪強度指標黏聚力c和內摩擦角φ相對較低，這使得路基在承受荷載時更容易出現變形。例如，在某段鐵路路基的沉降監測中，發現由于膨脹土強度較低，在列車運行一段時間后，路基出現了明顯的沉降，沉降量達到了[X3]cm，嚴重影響了鐵路的正常運營。膨脹土的超固結特性對路基沉降也有著重要影響。超固結膨脹土在附加應力小于先期固結壓力時，土體變形主要表現為彈性變形，壓縮性較小；而當附加應力超過先期固結壓力時，土體結構遭到破壞，壓縮性增大，導致沉降量顯著增加。在云桂地區鐵路路基的建設過程中，通過對不同深度膨脹土超固結比的測定和分析，發現淺層膨脹土的超固結比相對較大，其結構強度較高，在施工初期能夠較好地抵抗附加應力的作用，沉降量較小。但隨著路基填筑高度的增加，地基附加應力逐漸超過淺層膨脹土的先期固結壓力，土體結構開始破壞，沉降量迅速增大。4.3.2路基填筑與施工工藝的影響路基填筑高度對路基沉降有著顯著影響。隨著填筑高度的增加，作用在地基上的荷載增大，地基土所承受的附加應力也隨之增大，從而導致路基沉降量增加。根據現場監測數據，在云桂地區鐵路試驗段，當路基填筑高度從3m增加到5m時，路基中心的沉降量從[X4]cm增加到了[X5]cm，沉降量增加了約[X6]%。這是因為填筑高度的增加使得地基土的壓縮變形更加顯著，尤其是在膨脹土地基中，由于膨脹土的壓縮性較高，填筑高度的增加會進一步加劇地基的沉降。填筑速率也是影響路基沉降的重要因素之一。如果填筑速率過快，地基土來不及充分固結，會導致路基沉降速率增大，甚至可能引發地基失穩。在云桂地區某鐵路工程的施工過程中，由于前期填筑速率過快，在短時間內大量填筑材料，使得地基土在高應力狀態下迅速變形，路基沉降速率急劇增加，最高達到了[X7]mm/d，遠遠超過了設計允許的沉降速率。這不僅影響了施工進度，還對路基的穩定性造成了嚴重威脅。后來通過調整填筑速率，放緩施工進度，使地基土有足夠的時間進行固結，路基沉降速率逐漸得到控制，最終達到了穩定狀態。壓實度是衡量路基填筑質量的關鍵指標，對路基沉降有著直接影響。壓實度越高，路基土體越密實，其壓縮性越小，抵抗變形的能力越強，從而可以有效減小路基沉降。在云桂地區鐵路路基施工中，通過嚴格控制壓實度，采用重型壓路機進行分層碾壓，使路基壓實度達到了[X8]%以上，有效減小了路基沉降。與壓實度不足的路段相比，壓實度合格路段的路基沉降量減少了約[X9]%。這表明提高壓實度是控制路基沉降的重要措施之一。施工工藝對路基沉降也有著重要影響。合理的施工工藝可以減少施工過程對膨脹土地基的擾動，保證路基的填筑質量，從而減小路基沉降。在云桂地區鐵路路基施工中，采用了分層填筑、分層壓實的施工工藝，每層填筑厚度控制在[X10]cm左右，壓實遍數不少于[X11]遍，確保了路基填筑的均勻性和密實度。同時，在施工過程中，注意對膨脹土地基的保護，避免長時間暴露和雨水浸泡，減少了地基土的含水率變化，從而有效控制了路基沉降。相反，在一些施工工藝不合理的路段，由于填筑厚度不均勻、壓實度不足以及地基土受到擾動等原因，路基沉降量明顯增大，出現了較多的路基病害。4.3.3外部環境因素的影響降雨是影響路基沉降的重要外部環境因素之一。在云桂地區，降雨量大且集中，降雨對路基沉降的影響機制主要體現在以下幾個方面：首先，降雨會使膨脹土地基中的水分含量增加，導致膨脹土吸水膨脹，體積增大，從而對路基產生向上的膨脹力，引起路基隆起。根據現場監測數據，在一次強降雨后，云桂地區某鐵路試驗段路基中心的隆起量達到了[X12]mm。其次，降雨會導致地下水位上升，使地基土處于飽水狀態，土體的有效應力減小，抗剪強度降低，在列車荷載和自身重力的作用下，路基更容易發生沉降和變形。此外，降雨還會對路基邊坡產生沖刷作用，破壞邊坡的穩定性，導致邊坡土體滑塌，進而影響路基的整體穩定性，增加路基沉降的風險。地下水對路基沉降的影響也不容忽視。云桂地區地下水位相對較高，地下水的存在會改變膨脹土的物理力學性質。當地下水位上升時，膨脹土長期處于飽水狀態，土顆粒之間的膠結作用減弱，土體的強度降低，壓縮性增大，在荷載作用下，路基沉降量會顯著增加。某鐵路試驗段由于地下水位較高，膨脹土地基長期處于飽水狀態，路基沉降量比地下水位較低的路段增加了約[X13]%。相反，當地下水位下降時，膨脹土失水收縮，會在土體中產生裂縫，降低土體的整體性和抗變形能力，也會導致路基沉降。此外，地下水的滲流還可能帶走土體中的細顆粒，造成土體結構的破壞，進一步加劇路基沉降。為了減少降雨和地下水對路基沉降的影響，需要采取相應的防護措施。在路基排水方面，設置完善的排水系統，包括邊溝、截水溝、盲溝等，及時排除路基表面和地下水，減少水分對路基的浸泡。邊溝應具有足夠的過水能力，其尺寸和坡度應根據當地的降雨量和地形條件進行合理設計，確保能夠迅速排除路面雨水。截水溝應設置在路基邊坡上方，攔截山坡上的地表水，防止其流入路基范圍。盲溝則用于排除地下水，可采用透水性良好的材料如碎石、砂等填充，將地下水引至排水系統中。同時，加強路基的防滲處理，采用土工合成材料如防滲膜等對路基進行包裹，減少水分的滲入。在膨脹土地基表面鋪設一層防滲膜，可有效阻止地下水的上升和雨水的滲入，從而減小膨脹土的脹縮變形，降低路基沉降的風險。五、膨脹土地基鐵路路基沉降計算方法驗證5.1現有沉降計算方法概述在鐵路路基沉降計算領域，分層總和法是一種經典且應用廣泛的方法，其基本原理基于彈性力學理論。該方法將地基視為由若干個分層組成的線性彈性體，假設地基土在荷載作用下只發生豎向壓縮變形，而無側向變形。在計算時，首先將地基沉降計算深度內的土層按土質和應力變化情況劃分為若干分層，然后分別計算各分層的壓縮量，最后將各分層的壓縮量累加起來，得到地基的最終沉降量。其計算公式為：s=\sum_{i=1}^{n}\frac{\Deltap_{i}}{E_{si}}h_{i}，其中，s為地基最終沉降量；n為地基沉降計算深度范圍內的分層數；\Deltap_{i}為第i層土的平均附加應力增量；E_{si}為第i層土的壓縮模量；h_{i}為第i層土的厚度。在實際應用中，確定各分層土的壓縮模量E_{si}是關鍵環節，通常通過室內側限壓縮試驗獲取。然而，該方法存在一定的局限性，它忽略了地基土的非線性特性和應力歷史的影響，在實際工程中，地基土往往表現出非線性的力學行為，且前期的應力歷史會對土體的壓縮性產生顯著影響，因此分層總和法的計算結果往往與實際情況存在較大偏差。規范法是在分層總和法的基礎上，結合工程經驗進行修正的一種沉降計算方法。以《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）中推薦的方法為例，該方法引入了沉降計算經驗系數\psi_{s}，對分層總和法計算得到的沉降量進行修正。其計算公式為：s=\psi_{s}\sum_{i=1}^{n}\frac{p_{0}}{E_{s}}\left(z_{i}\alpha_{i}-z_{i-1}\alpha_{i-1}\right)，其中，p_{0}為基礎底面處的附加壓力；E_{s}為壓縮模量，按分層總和法的規定計算；z_{i}、z_{i-1}分別為基礎底面至第i層土、第i-1層土底面的距離；\alpha_{i}、\alpha_{i-1}分別為基礎底面計算點至第i層土、第i-1層土底面范圍內平均附加應力系數；\psi_{s}為沉降計算經驗系數，根據地區經驗及土的類別等因素確定。規范法考慮了地基土的應力歷史和地區經驗，在一定程度上提高了沉降計算的準確性。但由于沉降計算經驗系數\psi_{s}的取值具有一定的主觀性，且不同地區的地質條件差異較大，使得規范法在某些情況下的計算結果仍不夠理想。5.2考慮超固結性的沉降計算方法改進5.2.1改進思路與原理云桂地區膨脹土具有明顯的超固結特性，傳統的沉降計算方法由于未充分考慮這一特性，導致計算結果與實際沉降存在較大偏差。為了提高沉降計算的準確性，本研究基于膨脹土的超固結特性對現有沉降計算方法進行改進。改進思路主要是引入先期固結壓力和超固結比等參數，以反映膨脹土的應力歷史對沉降的影響。從理論依據來看，超固結膨脹土在附加應力作用下的變形特性與正常固結土和欠固結土有顯著差異。在附加應力小于先期固結壓力時，超固結膨脹土處于彈性變形階段，土顆粒之間的原有結構能夠抵抗附加應力的作用，土體的壓縮性較小；而當附加應力超過先期固結壓力時，土體結構開始遭到破壞，土顆粒之間的連接被削弱，土體進入正常固結狀態或欠固結狀態，壓縮性增大。因此，在沉降計算中，需要根據附加應力與先期固結壓力的關系，分別采用不同的壓縮性指標來計算沉降量。具體而言，對于附加應力小于先期固結壓力的土層，采用超固結土的壓縮性指標，如超固結土的壓縮指數C_{cs}，其值相對較小，反映了超固結土在該階段較小的壓縮性；對于附加應力超過先期固結壓力的土層，采用正常固結土或欠固結土的壓縮性指標，如正常固結土的壓縮指數C_{c}，其值相對較大。通過這種方式，可以更準確地描述膨脹土在不同應力狀態下的壓縮變形特性，從而提高沉降計算的精度。例如，在云桂地區某鐵路路基沉降計算中，采用傳統分層總和法計算得到的沉降量為[X1]cm，而考慮超固結性改進后的計算方法得到的沉降量為[X2]cm，與實際監測的沉降量[X3]cm更為接近，驗證了改進方法的有效性。5.2.2改進后的計算模型基于上述改進思路，建立考慮超固結性的沉降計算模型。假設地基沉降計算深度范圍內的土層為多層土，第i層土的厚度為h_{i}，該層土的先期固結壓力為p_{ci}，超固結比為OCR_{i}，現有有效上覆壓力為p_{0i}。首先，計算第i層土的附加應力\Deltap_{i}。根據彈性力學理論，在均布荷載作用下，地基中任意深度處的附加應力可通過布辛奈斯克解進行計算。然后，判斷第i層土的應力狀態：當\Deltap_{i}+p_{0i}\leqp_{ci}時，該層土處于超固結狀態，采用超固結土的壓縮性指標計算沉降量。沉降量計算公式為：\Deltas_{i1}=\frac{h_{i}}{1+e_{0i}}C_{cs}\lg\frac{p_{ci}}{p_{0i}}，其中，e_{0i}為第i層土的初始孔隙比，C_{cs}為超固結土的壓縮指數。當\Deltap_{i}+p_{0i}\gtp_{ci}時，該層土進入正常固結或欠固結狀態，先計算超固結段的沉降量\Deltas_{i2}，再計算正常固結或欠固結段的沉降量\Deltas_{i3}。超固結段沉降量計算公式為：\Deltas_{i2}=\frac{h_{i}}{1+e_{0i}}C_{cs}\lg\frac{p_{ci}}{p_{0i}}。正常固結或欠固結段沉降量計算公式為：\Deltas_{i3}=\frac{h_{i}}{1+e_{0i}}C_{c}\lg\frac{p_{0i}+\Deltap_{i}}{p_{ci}}，其中，C_{c}為正常固結土的壓縮指數。最后，將各層土的沉降量累加起來，得到地基的最終沉降量：s=\sum_{i=1}^{n}(\Deltas_{i1}+\Deltas_{i2}+\Deltas_{i3})，其中，n為地基沉降計算深度范圍內的分層數。在確定模型中參數時，先期固結壓力p_{ci}可通過室內高壓固結試驗，采用卡薩格蘭德（Casagrande）經驗法確定；超固結比OCR_{i}根據先期固結壓力與現有有效上覆壓力計算得到；超固結土的壓縮指數C_{cs}和正常固結土的壓縮指數C_{c}可通過室內壓縮試驗，根據不同應力狀態下的壓縮曲線確定。通過建立該考慮超固結性的沉降計算模型，并合理確定模型中的參數，可以更準確地計算云桂地區膨脹土地基鐵路路基的沉降量。5.3計算結果與實測數據對比分析5.3.1對比案例選取為了準確驗證考慮超固結性的沉降計算方法的準確性和可靠性，選取云桂鐵路[具體試驗段名稱]中的K32+450監測斷面作為對比案例。該斷面位于膨脹土分布較為典型的區域，膨脹土厚度約為[X1]m，地下水位深度為[X2]m。在該斷面處，路基填筑高度為[X3]m，采用了CFG樁進行地基加固處理，樁徑為[X4]m，樁間距為[X5]m。選擇該斷面的原因主要有以下幾點：一是該斷面的地質條件和路基結構具有代表性，能夠反映云桂地區膨脹土地基鐵路路基的一般情況；二是在該斷面處進行了長期、全面的沉降監測，獲取了豐富的實測數據，包括路基表面沉降、地基分層沉降、樁頂與樁間土壓力等，為對比分析提供了可靠的數據支持；三是該斷面在施工過程中，施工工藝和質量控制較為嚴格，能夠保證試驗數據的準確性和可靠性。對比分析的具體內容包括路基表面沉降和地基分層沉降。在路基表面沉降方面，對比改進前后計算方法得到的路基中心和路肩處的沉降量與實測沉降量，分析沉降量的大小差異以及沉降隨時間的變化規律；在地基分層沉降方面，對比不同深度處計算得到的沉降量與實測沉降量，研究沉降沿深度方向的分布特征。數據來源主要為現場監測數據和根據改進前后沉降計算方法得到的計算數據。現場監測數據通過在該斷面埋設的沉降板、沉降磁環和分層沉降計等監測儀器獲取，計算數據則根據該斷面的地質參數、路基設計參數以及改進前后的沉降計算方法進行計算得到。5.3.2對比結果分析將改進前后沉降計算方法的結果與實測沉降數據進行對比，對比結果如表1所示。從表中可以看出，傳統沉降計算方法（如分層總和法和規范法）計算得到的路基表面沉降量和地基分層沉降量與實測數據存在較大偏差。以路基中心沉降量為例，分層總和法計算結果比實測值大了[X6]cm，規范法計算結果比實測值大了[X7]cm。這主要是因為傳統方法未考慮膨脹土的超固結特性，在計算過程中采用統一的壓縮性指標，導致對地基沉降量的估計偏大。而考慮超固結性改進后的沉降計算方法，其計算結果與實測數據更為接近。路基中心沉降量的計算值與實測值僅相差[X8]cm，路肩沉降量和地基各分層沉降量的計算值與實測值的偏差也在合理范圍內。這表明改進后的計算方法能夠更準確地反映膨脹土地基鐵路路基的沉降特性，提高了沉降計算的精度。進一步分析改進后方法的可靠性，通過計算改進后方法計算值與實測值之間的相對誤差，發現路基表面沉降和地基分層沉降的相對誤差均在[X9]%以內，滿足工程精度要求。同時，將改進后方法應用于其他監測斷面的沉降計算，計算結果與實測數據也具有較好的一致性，進一步驗證了該方法的可靠性。此外，改進后方法考慮了膨脹土的應力歷史和超固結特性，在理論上更加合理，能夠為膨脹土地基鐵路路基的設計和施工提供更科學的依據。六、結論與展望6.1主要研究結論本研究通過對云桂地區膨脹土地基鐵路路基沉降特性的現場試驗研究，取得了以下主要研究成果：膨脹土地基特性：系統研究了云桂地區膨脹土地基的分布范圍、物理力學性質以及超固結特性。云桂地區膨脹土廣泛分布于盆地邊緣、河谷階地等地形部位，其天然含水率在[X1]%-[X2]%之間，平均值約為[X3]%；密度在[X4]g/cm3-[X5]g/cm3之間，平均值約為[X6]g/cm3；孔隙比在[X7]-[X8]之間，平均值約為[X9]。膨脹土具有明顯的脹縮特性，膨脹率在[X10]%-[X11]%之間，平均值約為[X12]%；收縮率在[X13]%-[X14]%之間，平均值約為[X15]%。強度特性方面，抗剪強度指標黏聚力c在[X16]kPa-[X17]kPa之間，內摩擦角φ在[X18]°-[X19]°之間；抗壓強度在[X20]kPa-[X21]kPa之間。在一定深度范圍內，膨脹土具有超固結特性，超固結比為[X22]-[X23]，且隨著深度的增加，超固結比呈現衰減變化規律。路基沉降特性：通過現場監測，深入分析了膨脹土地基鐵路路基沉降的時空分布特征及影響因素。樁頂與樁間土壓力在施工期隨著填筑