崔穎輝

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

我國是一個(gè)凍土大國，哈大、哈齊和蘭新等高速鐵路均要經(jīng)過凍深大于1.0 m的季節(jié)性凍土區(qū)，雖然采取了一系列的路基防凍脹措施，但這些線路在建設(shè)和運(yùn)營期間仍然出現(xiàn)了一定程度的凍融變形，造成鐵路部門冬季養(yǎng)護(hù)維修困難。根據(jù)2013年水準(zhǔn)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，哈大路基凍脹變形≥4 mm的路基長(zhǎng)度約占路基總長(zhǎng)度的41.5%，最大變形達(dá)28.7 mm，其他寒區(qū)的高鐵路基也有凍脹情況發(fā)生。閆宏業(yè)、陳則連等[1-4]通過對(duì)哈大、哈齊等高速鐵路路基的凍脹變形監(jiān)測(cè)，獲得了2012—2014年路基的凍脹發(fā)展情況，并分析了凍脹變形發(fā)生原因，提出東北季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路凍脹主要發(fā)生在路基表層的級(jí)配碎石層，因此研究?jī)鼋Y(jié)狀態(tài)下級(jí)配碎石的孔隙、冰晶分布狀態(tài)，對(duì)揭示高鐵路基的凍脹機(jī)理意義重大。

凍脹機(jī)理主要研究飽和細(xì)粒土。1972年，Miller[5]提出了第二凍脹理論。1973年，Harlan[6]，O’Neill[7]，Konrad[8]等從不同角度提出了細(xì)粒土的凍脹模型。國內(nèi)學(xué)者周揚(yáng)[9]、胡坤[10]、曹宏章[11]等采用不同方式判斷冰透鏡的位置及其生長(zhǎng)規(guī)律。

在粗粒土凍脹方面，傳統(tǒng)的凍脹理論認(rèn)為：粗粒土由于其粒徑較大、表面化學(xué)能較小，不產(chǎn)生或者極少產(chǎn)生水分遷移，不存在凍脹問題。而從東北地區(qū)的高速鐵路建設(shè)運(yùn)營情況來看，粗粒土在一定條件下也可以產(chǎn)生明顯的凍脹。而在粗粒土凍脹研究方面，Vinson[12]，Konrad[13]等從試驗(yàn)角度討論了粗粒土的凍脹性能。李安原[14]、聶宏紅[15]、王天亮[16]等通過室內(nèi)凍脹試驗(yàn)研究了粗粒土凍脹的影響因素。從微觀角度分析粗粒土凍結(jié)狀態(tài)的研究較少。

CT掃描技術(shù)近年來在巖土領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。巖土各組分的物理密度不同，對(duì)X射線的吸收或穿透效果不同，反映在CT圖像上各部位的灰度值不同，從而能分辨巖土內(nèi)部的組分分布特征。Satoshi Akagawa[17]、王朝陽[18]、W J Fourie[19]、陳世杰[20-21]等從不同角度對(duì)凍結(jié)土進(jìn)行了CT掃描試驗(yàn)。

總結(jié)國內(nèi)外CT掃描技術(shù)在巖土領(lǐng)域的研究成果，大部分研究集中在巖石、常溫土方面，而凍土方面，尤其是凍結(jié)級(jí)配碎石方面相對(duì)較少，其原因一方面需要在試驗(yàn)過程中精確控制試樣的凍結(jié)溫度；另一方面，凍結(jié)粗粒土本身較為復(fù)雜，其中混雜著粗顆粒、細(xì)顆粒、冰晶、孔隙以及未凍結(jié)的水，對(duì)掃描結(jié)果的解釋工作更加復(fù)雜。本文通過系列級(jí)配碎石的CT掃描試驗(yàn)，分析其在凍結(jié)情況下孔隙、冰晶分布特征，以及細(xì)顆粒含量、含水量對(duì)冰晶的影響。

1 試樣制備及試驗(yàn)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)用級(jí)配碎石取自哈齊高速鐵路某土料填場(chǎng)，為天然沉積細(xì)圓礫土。按粒徑篩分的成單粒徑土樣，如圖1所示。試樣按照TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中寒冷地區(qū)無砟軌道級(jí)配碎石級(jí)配范圍配制，同時(shí)為了更明顯觀測(cè)到細(xì)顆粒對(duì)凍脹的影響，增加超出規(guī)范級(jí)配曲線的部分細(xì)顆粒含量。試樣級(jí)配見表1，其級(jí)配曲線如圖2所示。其不均勻系數(shù)Cu及曲率系數(shù)Cc見表1，均達(dá)到規(guī)范要求。

圖1 不同顆粒粒徑的單粒徑土樣

試樣編號(hào)不同粒徑含量/%31.5～22.4 mm22.4～7.1 mm7.1～1.7 mm1.7～0.5 mm0.5～0.1 mm<0.1 mmCuCc19079582919342.271.98529079593021549.182.08839380623123851.252.522494816332241061.262.048

圖2 試樣級(jí)配曲線

將篩分好的各粒徑碎石按照試驗(yàn)方案級(jí)配曲線進(jìn)行配比，攪拌均勻放在封閉塑料袋中靜置2 h，分3次裝入實(shí)驗(yàn)?zāi)＞咧校看窝b入1/3高度，每裝1層用2 kg鐵錘擊實(shí)30次，落錘高度為150～200 mm，壓實(shí)后的試樣如圖3所示。

圖3 壓實(shí)級(jí)配碎石試樣

由于級(jí)配碎石是散體材料，試樣無法獨(dú)立成型，因此采用有機(jī)玻璃筒作為試驗(yàn)容器。綜合考慮試驗(yàn)精度和試樣粒徑，試樣筒外徑選定為65 mm，內(nèi)徑 55 mm，壁厚 5 mm，高 120 mm。制樣過程中，剔除22.4 mm以上顆粒，保留剩余部分。試樣凍結(jié)時(shí)，在試樣筒外側(cè)包裹EPS泡沫板進(jìn)行隔溫處理，保證試樣單向凍結(jié)，如圖4所示。

圖4 級(jí)配碎石制樣筒示意圖(單位：mm)

考慮到X-CT掃描的特點(diǎn)，每種級(jí)配選擇3種不同的飽水度(0%，50%和80%)，分析不同含水量?jī)?nèi)部冰晶分布的特點(diǎn)。將試樣浸水處理，達(dá)到一定飽水度后放入低溫冷凍箱中，單向冷凍24 h，使試樣內(nèi)部完全凍結(jié)，如圖5所示，然后放入X-CT實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，進(jìn)行CT斷層掃描。

圖5 級(jí)配碎石凍結(jié)試樣圖

試驗(yàn)采用美國公司生產(chǎn)的MircoXCT-400型CT機(jī)。MicroXCT-400配備有三維重構(gòu)軟件XMReconstructor和可視化軟件XM3DViewer，X射線管施加的電壓和電流分別為185 kV和0.26 mA，X射線焦點(diǎn)尺寸為5 μm，空間分布率為1.5 μm，探測(cè)器為16bit CCD，視域?yàn)?2 048×2 048)像素。

2 掃描結(jié)果及分析

2.1 CT掃描灰度值確定

本試驗(yàn)共完成12個(gè)凍結(jié)級(jí)配碎石試樣的CT掃描，獲取了凍結(jié)級(jí)配碎石內(nèi)部細(xì)觀組織結(jié)構(gòu)的CT數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)，主掃描面與試樣軸心垂直，掃描間距為48 μm，每個(gè)土樣約獲得1 024張(980×1 005)像素的主掃面斷面圖像。通過三維分析軟件對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行三維重構(gòu)，疊加方法如圖6所示。

X射線穿透物體斷面并旋轉(zhuǎn)掃描，匯集X射線經(jīng)此層面不同物質(zhì)衰減后的信息，并將其去噪、放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到與該點(diǎn)吸收系數(shù)μ相關(guān)的灰度值，構(gòu)成各個(gè)斷面的灰度數(shù)字圖像，圖像中不同灰度反映被掃描物質(zhì)對(duì)X射線的吸收程度，白影表示密度較高的區(qū)域，即高吸收區(qū)，黑影表示密度較低的區(qū)域，即低吸收區(qū)。在實(shí)際計(jì)算中，一般采用灰度表征密度，單位為Hu(Hounsfield unit)，其計(jì)算方法如式(1)所示。

(1)

式中：Vct為試驗(yàn)物質(zhì)的灰度值；μ為試驗(yàn)物質(zhì)的X射線吸收系數(shù)；μw為水的X射線吸收系數(shù)。

圖6 三維化疊加方法

通過反復(fù)對(duì)比分析，不同物質(zhì)灰度值大致范圍見表2，空隙、冰晶、細(xì)粒土和粗粒土在斷面上的辨識(shí)情況如圖7和圖8所示。

表2 不同物質(zhì)灰度值

圖8 孔隙與冰晶的灰度辨識(shí)圖

2.2 試樣飽水度影響分析

控制級(jí)配碎石試樣的細(xì)粒含量不變(10%)，分別進(jìn)行飽水度為0，50%和80%的凍結(jié)試樣掃描試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同飽水度凍結(jié)級(jí)配碎石試樣X-CT掃描結(jié)果

根據(jù)CT圖像灰度不同，對(duì)圖像進(jìn)行局部細(xì)化分析，將試樣下部的孔隙標(biāo)記為紅色、冰標(biāo)記為黃色。對(duì)比不同飽水度的凍結(jié)試樣同一位置，可以看出隨著試樣飽水程度增加，凍結(jié)后，冰晶在孔隙中匯集，孔隙被冰晶填充逐漸減小，冰晶進(jìn)一步聚集會(huì)擠壓周圍的粗顆粒骨架，造成試樣凍脹。

圖10為飽水度50%時(shí)的凍結(jié)試樣，冰晶標(biāo)記為綠色。從不同角度觀測(cè)冰晶分布，由圖10可以看出：當(dāng)飽水度為50%時(shí)，凍結(jié)試樣內(nèi)部存在冰晶較為明顯，充填在試樣孔隙中。在未凍結(jié)時(shí)，由于細(xì)粒土比表面積較大，基質(zhì)勢(shì)較大，水分主要存在于級(jí)配碎石試樣中的細(xì)粒土附近，而當(dāng)完成凍結(jié)后，水分并未完全在原位凍結(jié)，而是更多地在級(jí)配碎石的孔隙中聚集成冰。

圖10 飽水度50%時(shí)冰晶三維重構(gòu)圖和斷面圖像

2.3 細(xì)粒含量影響

控制級(jí)配碎石試樣的細(xì)粒含量，分別開展細(xì)顆粒含量為3%，5%，8%和10%飽水情況下的凍結(jié)試樣掃描試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，圖12為不同細(xì)顆粒含量與孔隙率的關(guān)系曲線。

從圖11和圖12可以看出，當(dāng)不同細(xì)粒含量試樣發(fā)生凍脹時(shí)，其孔隙率有較大差異，3%細(xì)顆粒含量?jī)鼋Y(jié)后孔隙率為4.32%，5%細(xì)顆粒含量?jī)鼋Y(jié)后孔隙率為3.35%，當(dāng)細(xì)顆粒含量提升至10%時(shí)，凍結(jié)后孔隙率僅為1.68%，隨著細(xì)顆粒含量增加，試樣的孔隙率大幅降低。隨著細(xì)粒料摻量的增加，級(jí)配碎石內(nèi)孔隙部分明顯減少，水分填充到細(xì)粒料周圍，產(chǎn)生的冰晶主要分布在粗、細(xì)顆粒交界面處的孔隙中，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)更加致密，冰晶聚集推動(dòng)粗顆粒旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)動(dòng)，偏離原來的位置，引起試樣發(fā)生凍脹。

圖12 細(xì)粒含量與孔隙率關(guān)系曲線

2.4 粗粒土凍脹影響機(jī)理

在細(xì)粒土中，土體凍結(jié)一般伴隨著水分遷移引起的凍脹，在補(bǔ)水條件的開放系統(tǒng)中，細(xì)粒土凍脹現(xiàn)象更為明顯。細(xì)顆粒存在毛細(xì)水傳輸通道，能夠滿足連續(xù)性假設(shè)和各向同性假設(shè)，已有較為成熟的理論可以闡釋其凍脹機(jī)理。在粗粒土中，由于顆粒尺寸較大，不能滿足連續(xù)性假設(shè)和各向同性假設(shè)，大規(guī)模水分遷移的毛細(xì)水通道被粗顆粒阻斷，用細(xì)粒土凍脹機(jī)理無法闡釋粗粒土凍脹現(xiàn)象。

從級(jí)配碎石細(xì)觀掃描試驗(yàn)可以看出，級(jí)配碎石在凍結(jié)過程中，冰晶主要聚集在試樣孔隙中。主要是試驗(yàn)凍結(jié)過程中不同位置顆粒間存在溫度梯度，形成驅(qū)動(dòng)勢(shì)能，但試樣中又沒有水分遷移通道，于是水分發(fā)生局部遷移，從細(xì)粒土中遷移至臨近的孔隙或粗、細(xì)顆粒界面處，在孔隙中聚集成冰，最終引起粗粒土凍脹。試樣中水分絕大部分分布在細(xì)顆粒土附近，隨著試樣中細(xì)粒含量的增加，試樣孔隙率降低，水分也隨之增加，土體的凍脹性增大明顯，可以說細(xì)顆粒含量是影響粗粒土凍脹的關(guān)鍵因素之一。

3 結(jié) 論

(1)利用X-CT掃描儀器及三維可視化軟件，測(cè)定級(jí)配碎石中顆粒、冰晶、孔隙的灰度值，構(gòu)建凍結(jié)狀態(tài)下的級(jí)配碎石三維模型，獲取試樣的孔隙率、冰晶分布和孔隙分布。

(2)隨著飽水度和細(xì)顆粒含量的增加，凍結(jié)試樣內(nèi)部冰晶含量隨之增加，冰晶主要在試樣孔隙、粗顆粒與細(xì)顆粒交界面出聚集、析出。

(3)因?yàn)榧?jí)配碎石中存在粉粒、粘粒等細(xì)粒土，凍結(jié)過程中級(jí)配碎石依然存在水分遷移現(xiàn)象，但有別于細(xì)粒土的大規(guī)模水分遷移，僅在細(xì)顆粒聚集部位發(fā)生水分微遷移，導(dǎo)致發(fā)生凍脹。級(jí)配碎石水分微遷移與凍脹的定量關(guān)系還需要更進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。