我国膨胀岩土分布广泛，遍及广西、贵州、四川等20多个省区。膨胀岩土遇水膨胀、失水收缩，在降雨、地下水位波动和气候条件影响下，其变形破坏对上部结构产生长期、反复、潜在的影响，常引发道路沉降、建筑开裂、边坡失稳等工程病害。对于高速铁路无砟轨道而言，平顺性要求极为严格，扣件调整范围仅允许路基发生4 mm的上拱变形，膨胀岩土路基的变形控制因此成为高铁建设中的关键难题。

近日，陈德老师团队在《Transportation Geotechnics》发表题为"Expansion deformation characteristics of interbedded weakly expansive rock and soil foundations"的研究论文，以南宁至玉林高速铁路沿线广泛分布的砂岩-泥岩互层体系（S-MIS）为研究对象，通过9组室内模型试验与有限元数值模拟相结合的方法，系统揭示了水平、倾斜、垂直三种典型互层结构下弱膨胀岩土路基的膨胀变形特征与力学机制。

三种互层结构，三种典型变形模式

研究发现，不同互层结构形式下，路基顶面膨胀变形呈现出截然不同的空间分布模式：

水平层状结构表现为典型的"圆拱形"分布，中部变形大、两侧变形小。随着特殊岩土分布范围（DRSRS）增大，最大膨胀变形逐渐趋于稳定，1:1层厚比下稳定值约为5.13 mm，临界分布范围约70 m。

倾斜层状结构沿岩层倾向呈现波状衰减趋势，受"互层衰减机制"控制。变形范围在1.005~2.369 mm之间，最大与最小值分别稳定在约4.569 mm和2.501 mm，临界分布范围约20 m。

垂直层状结构则形成对称的"锯齿形"变形模式，源于"互层叠加机制"。峰值与谷值衰减范围分别为6.37%~7.30%和5.80%~7.11%，平均峰谷差达1.906 mm，临界分布范围约30 m。

砂岩占比提高可显著抑制膨胀变形

研究进一步揭示了砂岩与泥岩层厚比对膨胀变形的控制作用。随着砂岩占比从1:1提高至3:1，泥岩含量逐渐减少，路基顶面最大膨胀变形显著降低，水平、倾斜、垂直三种结构的降幅分别达到37.23%、30.16%和21.84%。与此同时，变形达到稳定所需的临界分布范围也相应减小，水平层状结构从70 m降至50 m。

从力学机制上看，研究团队从层间约束、应力重分布与能量积累传递三个角度，阐明了不同互层结构变形模式差异的力学根源：水平层状结构中，泥岩膨胀变形受相邻高刚度砂岩层约束，呈现类似弯曲型响应的非均匀约束分布；倾斜层状结构中，埋深效应、层间刚度差异与界面摩擦共同作用，导致膨胀能量沿倾向逐渐重分布；垂直层状结构中，高刚度砂岩对泥岩形成"侧向固定、竖向自由"的约束体系，界面应力集中与膨胀能量向中心叠加，最终形成对称锯齿形分布。

"温度场代湿度场"数值方法的验证与拓展

研究采用"温度场代替湿度场"的有限元建模策略，通过室内模型试验对方法进行了系统验证。结果表明，数值模拟与试验结果在整体趋势和阶段划分上高度一致，稳定膨胀变形的平均绝对误差仅0.08 mm，MAE范围为0.0454~0.1897，MSE、RMSE、RSS等指标均保持在较低水平，验证了该数值方法在互层膨胀岩土路基分析中的可靠性。

面向工程的设计建议

基于上述变形规律与稳定阈值，研究团队提出了针对性的工程设计建议：

对于水平互层结构路基，提高岩层厚度比是最有效的抑制措施，当层厚比提高至2:1及以上时，最大膨胀变形可降低约37%，临界分布范围从70 m降至50 m；

对于倾斜互层结构，膨胀变形在较短分布范围（约20 m）内即可稳定，但沿倾向呈现波动衰减，设计应优先采取抗滑与抗剪措施，抵抗膨胀应力的切向分量；

对于垂直互层结构，膨胀变形主要受强侧向约束与界面应力集中控制，建议加强侧向约束措施（如结构加固或约束层），抑制竖向膨胀与锯齿形变形。

该研究加深了对弱膨胀互层岩土路基膨胀变形机制的认识，为膨胀岩土地区高速铁路路基的变形评估、结构优化与成本效益化的处理决策提供了定量依据。

论文信息：

Jiang, J., Wang, T., Li, Y., Chen, D. Expansion deformation characteristics of interbedded weakly expansive rock and soil foundations. Transportation Geotechnics (2026).

DOI: 10.1016/j.trgeo.2026.102340