基于X-CT扫描成像技术的级配碎石冻结状态细观研究

2018-12-19崔颖辉

中国铁道科学 2018年6期

崔颖辉

(中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081)

我国是一个冻土大国，哈大、哈齐和兰新等高速铁路均要经过冻深大于1.0 m的季节性冻土区，虽然采取了一系列的路基防冻胀措施，但这些线路在建设和运营期间仍然出现了一定程度的冻融变形，造成铁路部门冬季养护维修困难。根据2013年水准观测统计结果，哈大路基冻胀变形≥4 mm的路基长度约占路基总长度的41.5%，最大变形达28.7 mm，其他寒区的高铁路基也有冻胀情况发生。闫宏业、陈则连等[1-4]通过对哈大、哈齐等高速铁路路基的冻胀变形监测，获得了2012—2014年路基的冻胀发展情况，并分析了冻胀变形发生原因，提出东北季节性冻土区高速铁路冻胀主要发生在路基表层的级配碎石层，因此研究冻结状态下级配碎石的孔隙、冰晶分布状态，对揭示高铁路基的冻胀机理意义重大。

冻胀机理主要研究饱和细粒土。1972年，Miller[5]提出了第二冻胀理论。1973年，Harlan[6]，O’Neill[7]，Konrad[8]等从不同角度提出了细粒土的冻胀模型。国内学者周扬[9]、胡坤[10]、曹宏章[11]等采用不同方式判断冰透镜的位置及其生长规律。

在粗粒土冻胀方面，传统的冻胀理论认为：粗粒土由于其粒径较大、表面化学能较小，不产生或者极少产生水分迁移，不存在冻胀问题。而从东北地区的高速铁路建设运营情况来看，粗粒土在一定条件下也可以产生明显的冻胀。而在粗粒土冻胀研究方面，Vinson[12]，Konrad[13]等从试验角度讨论了粗粒土的冻胀性能。李安原[14]、聂宏红[15]、王天亮[16]等通过室内冻胀试验研究了粗粒土冻胀的影响因素。从微观角度分析粗粒土冻结状态的研究较少。

CT扫描技术近年来在岩土领域中得到广泛应用。岩土各组分的物理密度不同，对X射线的吸收或穿透效果不同，反映在CT图像上各部位的灰度值不同，从而能分辨岩土内部的组分分布特征。Satoshi Akagawa[17]、王朝阳[18]、W J Fourie[19]、陈世杰[20-21]等从不同角度对冻结土进行了CT扫描试验。

总结国内外CT扫描技术在岩土领域的研究成果，大部分研究集中在岩石、常温土方面，而冻土方面，尤其是冻结级配碎石方面相对较少，其原因一方面需要在试验过程中精确控制试样的冻结温度；另一方面，冻结粗粒土本身较为复杂，其中混杂着粗颗粒、细颗粒、冰晶、孔隙以及未冻结的水，对扫描结果的解释工作更加复杂。本文通过系列级配碎石的CT扫描试验，分析其在冻结情况下孔隙、冰晶分布特征，以及细颗粒含量、含水量对冰晶的影响。

1 试样制备及试验简介

试验用级配碎石取自哈齐高速铁路某土料填场，为天然沉积细圆砾土。按粒径筛分的成单粒径土样，如图1所示。试样按照TB 10621—2014《高速铁路设计规范》中寒冷地区无砟轨道级配碎石级配范围配制，同时为了更明显观测到细颗粒对冻胀的影响，增加超出规范级配曲线的部分细颗粒含量。试样级配见表1，其级配曲线如图2所示。其不均匀系数Cu及曲率系数Cc见表1，均达到规范要求。

图1 不同颗粒粒径的单粒径土样

试样编号不同粒径含量/%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

图2 试样级配曲线

将筛分好的各粒径碎石按照试验方案级配曲线进行配比，搅拌均匀放在封闭塑料袋中静置2 h，分3次装入实验模具中，每次装入1/3高度，每装1层用2 kg铁锤击实30次，落锤高度为150～200 mm，压实后的试样如图3所示。

图3 压实级配碎石试样

由于级配碎石是散体材料，试样无法独立成型，因此采用有机玻璃筒作为试验容器。综合考虑试验精度和试样粒径，试样筒外径选定为65 mm，内径 55 mm，壁厚 5 mm，高 120 mm。制样过程中，剔除22.4 mm以上颗粒，保留剩余部分。试样冻结时，在试样筒外侧包裹EPS泡沫板进行隔温处理，保证试样单向冻结，如图4所示。

图4 级配碎石制样筒示意图(单位：mm)

考虑到X-CT扫描的特点，每种级配选择3种不同的饱水度(0%，50%和80%)，分析不同含水量内部冰晶分布的特点。将试样浸水处理，达到一定饱水度后放入低温冷冻箱中，单向冷冻24 h，使试样内部完全冻结，如图5所示，然后放入X-CT实验设备中，进行CT断层扫描。

图5 级配碎石冻结试样图

试验采用美国公司生产的MircoXCT-400型CT机。MicroXCT-400配备有三维重构软件XMReconstructor和可视化软件XM3DViewer，X射线管施加的电压和电流分别为185 kV和0.26 mA，X射线焦点尺寸为5 μm，空间分布率为1.5 μm，探测器为16bit CCD，视域为(2 048×2 048)像素。

2 扫描结果及分析

2.1 CT扫描灰度值确定

本试验共完成12个冻结级配碎石试样的CT扫描，获取了冻结级配碎石内部细观组织结构的CT数据。试验时，主扫描面与试样轴心垂直，扫描间距为48 μm，每个土样约获得1 024张(980×1 005)像素的主扫面断面图像。通过三维分析软件对扫描结果进行三维重构，叠加方法如图6所示。

X射线穿透物体断面并旋转扫描，汇集X射线经此层面不同物质衰减后的信息，并将其去噪、放大及模数转换，得到与该点吸收系数μ相关的灰度值，构成各个断面的灰度数字图像，图像中不同灰度反映被扫描物质对X射线的吸收程度，白影表示密度较高的区域，即高吸收区，黑影表示密度较低的区域，即低吸收区。在实际计算中，一般采用灰度表征密度，单位为Hu(Hounsfield unit)，其计算方法如式(1)所示。

(1)

式中：Vct为试验物质的灰度值；μ为试验物质的X射线吸收系数；μw为水的X射线吸收系数。

图6 三维化叠加方法

通过反复对比分析，不同物质灰度值大致范围见表2，空隙、冰晶、细粒土和粗粒土在断面上的辨识情况如图7和图8所示。

表2 不同物质灰度值

图8 孔隙与冰晶的灰度辨识图

2.2 试样饱水度影响分析

控制级配碎石试样的细粒含量不变(10%)，分别进行饱水度为0，50%和80%的冻结试样扫描试验，试验结果如图9所示。

图9 不同饱水度冻结级配碎石试样X-CT扫描结果

根据CT图像灰度不同，对图像进行局部细化分析，将试样下部的孔隙标记为红色、冰标记为黄色。对比不同饱水度的冻结试样同一位置，可以看出随着试样饱水程度增加，冻结后，冰晶在孔隙中汇集，孔隙被冰晶填充逐渐减小，冰晶进一步聚集会挤压周围的粗颗粒骨架，造成试样冻胀。

图10为饱水度50%时的冻结试样，冰晶标记为绿色。从不同角度观测冰晶分布，由图10可以看出：当饱水度为50%时，冻结试样内部存在冰晶较为明显，充填在试样孔隙中。在未冻结时，由于细粒土比表面积较大，基质势较大，水分主要存在于级配碎石试样中的细粒土附近，而当完成冻结后，水分并未完全在原位冻结，而是更多地在级配碎石的孔隙中聚集成冰。

图10 饱水度50%时冰晶三维重构图和断面图像

2.3 细粒含量影响

控制级配碎石试样的细粒含量，分别开展细颗粒含量为3%，5%，8%和10%饱水情况下的冻结试样扫描试验，试验结果如图11所示，图12为不同细颗粒含量与孔隙率的关系曲线。

从图11和图12可以看出，当不同细粒含量试样发生冻胀时，其孔隙率有较大差异，3%细颗粒含量冻结后孔隙率为4.32%，5%细颗粒含量冻结后孔隙率为3.35%，当细颗粒含量提升至10%时，冻结后孔隙率仅为1.68%，随着细颗粒含量增加，试样的孔隙率大幅降低。随着细粒料掺量的增加，级配碎石内孔隙部分明显减少，水分填充到细粒料周围，产生的冰晶主要分布在粗、细颗粒交界面处的孔隙中，使得整个结构更加致密，冰晶聚集推动粗颗粒旋转、错动，偏离原来的位置，引起试样发生冻胀。

图12 细粒含量与孔隙率关系曲线

2.4 粗粒土冻胀影响机理

在细粒土中，土体冻结一般伴随着水分迁移引起的冻胀，在补水条件的开放系统中，细粒土冻胀现象更为明显。细颗粒存在毛细水传输通道，能够满足连续性假设和各向同性假设，已有较为成熟的理论可以阐释其冻胀机理。在粗粒土中，由于颗粒尺寸较大，不能满足连续性假设和各向同性假设，大规模水分迁移的毛细水通道被粗颗粒阻断，用细粒土冻胀机理无法阐释粗粒土冻胀现象。

从级配碎石细观扫描试验可以看出，级配碎石在冻结过程中，冰晶主要聚集在试样孔隙中。主要是试验冻结过程中不同位置颗粒间存在温度梯度，形成驱动势能，但试样中又没有水分迁移通道，于是水分发生局部迁移，从细粒土中迁移至临近的孔隙或粗、细颗粒界面处，在孔隙中聚集成冰，最终引起粗粒土冻胀。试样中水分绝大部分分布在细颗粒土附近，随着试样中细粒含量的增加，试样孔隙率降低，水分也随之增加，土体的冻胀性增大明显，可以说细颗粒含量是影响粗粒土冻胀的关键因素之一。