不同细粒含量下高铁路基粗颗粒填料水气迁移特征与冻胀特性

2021-08-12张玉芝王天亮冯卓鑫

中国铁道科学 2021年4期

张玉芝，王天亮，张飞，冯卓鑫

（1.石家庄铁道大学河北省大型结构健康诊断与控制重点实验室，河北石家庄 050043；2.石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室，河北石家庄 050043；3.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，河北石家庄 050043；4.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043）

在季节性冻土区，因传统冻胀理论认为细粒含量不大于15%的粗颗粒填料是不冻胀土［1］，粗颗粒填料广泛应用于高铁路基基床底层。然而，已有季节性冻土区高铁路基出现了多处因粗颗粒填料冻胀导致的路基上拱问题［2-4］，严重影响高速列车的正常运营和安全。

高铁路基粗颗粒填料通常处于非饱和状态，非饱和土较大且连通的孔隙在冻结过程中虽不利于液态水毛细上升，却为气态水迁移创造了良好的条件。温度梯度作用下气态水迁移的现象早在农田土壤特性研究中得到证实［5］。通过对加拿大和美国北部寒区的公路路基进行现场监测，Eigenbrod 和Kennepohl［6］也发现适宜的温度梯度和孔隙特征是造成沥青混凝土路面下碎石填料水分积聚的主要原因。这种温度梯度作用下土体封闭覆盖层下方含水量增大的现象被称之为“锅盖效应”［7］。通过室内试验和理论分析，多位学者进一步证实了非饱和土体中的“锅盖效应”。Gao 等［8］认为在粗颗粒填料初始含水量较低时，气态水迁移导致的试样表面冻胀变形更为明显。Zhang 等［9］和He 等［10］分别通过建立数值模型和室内试验研究了初始含水量、温度边界等因素对非饱和粉砂土和钙质砂水气迁移特征的影响，认为气态水迁移对土样中冰晶形成影响显著。Wang 等［11］和Zhang 等［12］采用荧光素示踪剂和毛细水隔断多孔板的方法，通过室内试验量化了恒温和梯级温度冻结模式下初始含水量不同的粗颗粒填料试样中气态水迁移在水气混合迁移模式中的占比，认为气态水迁移在粗颗粒填料水气迁移中占据主导地位。可见，研究者已经认识到气态水迁移对寒区高铁路基冻胀变形的重要贡献，然而目前尚未有研究涉及细粒含量对粗颗粒填料水气迁移特征及冻胀发展的影响。

细粒含量是评价高铁路基粗颗粒填料冻胀敏感性的重要指标。控制细粒含量可以有效降低粗颗粒填料的冻胀敏感性［13-14］，但同时也会一定程度上削弱粗颗粒填料的压实效果。在寒区哈大和哈齐高铁建设前，冻胀率≤1%的粗颗粒填料即被认为是不冻胀填料，并以此为控制指标通过室内试验确定寒区高铁路基中采用的粗颗粒填料中的细粒含量。石刚强等［15］通过室内试验分别确定了掺加5%，10%和15%细粒含量的哈大高铁填料达到1%冻胀率的临界含水率，提出通过同时控制细粒含量、含水率和压实度控制填料填筑质量。王天亮等［16］针对哈齐客专所用的细圆砾土，通过室内试验研究提出了同时满足压实性能和冻胀率≤1%要求的细粒含量为9%。此外，学者们还针对细粒土中的黏土矿物成分［17-18］、粒径范围［18］和细粒含量［19-20］等因素对粗颗粒填料冻胀敏感性开展了深入研究，并评价了各因素的影响程度。

上述研究在一定程度上指导了寒区高铁路基的工程建设。随着对寒区高铁路基冻胀变形机制认识的深入，2016 年发布的TB 10001—2016《铁路路基设计规范》［21］和2018 年发布的TB 10035—2018《铁路特殊路基设计规范》［22］提出了严寒地区高铁路基粗颗粒填料中细粒含量应控制在5%以下。考虑到已建寒区高铁中细粒含量普遍超过5%，加之建设运营和反复冻融循环对填料细粒含量的影响，研究细粒含量对粗颗粒填料水分尤其是气态水迁移的影响和变化特征，有助于进一步了解和解释粗颗粒填料冻胀变形发生发展规律。

本文以哈齐高铁路基粗颗粒填料为研究对象，采用自行研发的水气迁移试验装置开展单向冻结试验，研究细粒含量对高铁路基粗颗粒填料水气迁移特征与冻胀特性的影响，分析粗颗粒填料冻胀机理。

1 水气迁移试验装置

试验采用自行研发的水气迁移试验装置，如图1 所示。高低温环境试验箱为试样提供恒定的环境温度，箱体长5.5 m，宽5.0 m，高3.5 m。此外，试样装置主要包括试样筒、单向冻结控温系统、外界水补给系统、图像采集系统、传感器及数据采集系统。

图1 水气迁移试验装置示意图

试样筒为内径200 mm，外径220 mm，高200 mm 的有机玻璃筒，具有高强度、耐摩擦、高透光的特性，便于进行水分迁移高度追踪和图像采集。

单向冻结控温系统由上、下冷浴盘和NESLab低温恒温冷浴（精度为±0.1 ℃）组成，上、下冷浴盘分别置于试样的顶部和底部，可模拟现场工程的单向冻结模式。

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外界水补给系统由马氏补水瓶和毛细水隔断多孔板组成，毛细水隔断多孔板包括与试样筒内壁密封相连的套环和安装于套环上且均匀设有若干个小孔的钢板组成［23］，如图2 所示。毛细水隔断多孔板用于隔离外界液态水，加毛细水隔断多孔板，仅有气态水的迁移，不加毛细水隔断多孔板，可实现水气混合迁移，以此控制水分迁移模式。

图2 毛细水隔断多孔板

图像采集系统包括工业相机和紫光灯，可实时追踪试样中荧光素示踪剂的位置。Wang 等［11］和Zhang 等［12］通过荧光素溶液蒸发冷凝试验发现玻璃盖板上的水珠在紫光灯照射下没有颜色，这表明荧光素仅能随液态水迁移，无法随着气态水迁移。因此，在工业相机和紫光灯的辅助下，马氏补水瓶中水掺加荧光素示踪剂可用于追踪外界液态水迁移高度的变化过程。其中，荧光素和蒸馏水的质量比为1∶200。

传感器及数据采集系统包括铂电阻温度传感器、分体式高精度位移计、DT80 数据采集仪和笔记本电脑，铂电阻温度传感器精度为±0.1 ℃，位移计精度为±0.01 mm。

2 单向冻结试验

2.1 试验材料

试验材料为哈齐高铁基床底层粗颗粒填料，颗粒分布特征如图3所示。粗颗粒填料不均匀系数Cu=28.025，曲率系数Cc=1.815，最大粒径小于20 mm、大于2 mm 的颗粒质量分数为52.85%，小于0.075 mm 的颗粒质量分数为8.29%，最优含水率为5.9%，最大干密度为2.258 g·cm-3，为级配良好的细角砾土，属于A2组铁路路基填料［21］。

图3 哈齐高铁基床底层粗颗粒填料的颗粒粒径分布曲线

根据试验要求，去除粗颗粒填料中小于0.075 mm 的细粒土，并按照质量分数分别掺加5%和15%的细粒土，得到细粒含量分别为5%和15%的2 种粗颗粒填料，级配见表1。其中5%细粒含量的粗颗粒填料不均匀系数Cu=28.025，曲率系数Cc=1.815，最优含水率为5.9%，最大干密度为2.258 g·cm-3；15%细粒含量的粗颗粒填料不均匀系数Cu=47.44，曲率系数Cc=1.583，最优含水率为7.3%，最大干密度为2.297 g·cm-3，均为级配良好的铁路路基填料。

表1 细粒含量5%和15%的粗颗粒填料级配

2.2 试验方案

为研究粗颗粒填料中水气迁移特征及细粒含量的影响，设置以下4 组试验，试验初始条件及水分迁移模式见表2。其中，各试样的初始含水率均为最优含水率。

表2 粗颗粒填料水气迁移试验方案

2.3 制样及试验过程

按照最优含水率配制土样并焖料24 h，使土样含水率均匀一致。将制备好的土样按压实系数0.95于试样筒中分5层击实，每层40 mm，击实过程中将温度传感器按设定高度埋置于土样中，并在试样顶部放置塑料薄膜以防止水分损失。将上、下冷浴盘温度设为5 ℃并持续24 h，待试样内部温度恒定后，试样制备完毕，准备冻结试验。

整个试验过程中，记录图像、温度、位移和水位等试验数据。试验结束后立即拆样，按20 mm间隔共取10 层，采用烘干法分层测定不同高度处含水量。

3 试验结果与分析

3.1 温度场与冻结深度

图4 为粗颗粒填料试样不同深度对应的温度时程曲线。以粗颗粒填料冻结温度-0.15°C 为冻结温度，可得到试样冻结深度的演化过程，如图5 所示。分析图4 和图5 可知，单向冻结模式下，粗颗粒填料试样温度场演化过程呈现3个阶段：0～8 h，冻结锋面快速向下移动，为快速冻结阶段；8～24 h，冻结速率减缓，为缓慢冻结阶段；24～72 h，冻结深度达到最大值，为稳定冻结阶段。由图5 可知：所有试样的最大冻结深度位于12.87～13.30 cm 处，这说明细粒含量和水分迁移模式对试样冻结过程和冻结深度的影响不显著。

图4 试样F5L0不同深度温度时程曲线

图5 试样冻结深度时程曲线

3.2 外界补水量

图6 为冻结过程中粗颗粒填料试样外界补水量时程曲线。由图6可知：外界补水量亦呈现快速增长、缓慢增长和趋于稳定的变化规律，但各阶段外界补水量发展均滞后于冻结深度的发展，由此可见，温度梯度变化是外界水源向粗颗粒填料试样内部补给的主要内在驱动力；水气混合迁移模式下，外界补水量随粗颗粒填料试样中细粒含量的增加而增大；气态水迁移模式下，外界补水量随细粒含量的增加而减小。

图6 试样外界补水量时程曲线

考虑到细粒含量相同的试样除水分迁移模式外，土样及外界条件完全相同，因此假定细粒含量相同时，水气混合迁移试样与气态水迁移试样中气态水迁移量相同，可得到气态水占外界补水量的百分比，见表3。由表3 可知：气态水占比随细粒含量的增加而减小，这主要是由于细粒土表面吸附能较大，具有较好的持水能力，为液态水提供了良好的毛细迁移通道，因此较大的细粒含量更有利于液态水迁移，并在一定程度上限制了气态水迁移。

表3 试样外界补水量及气态水占比

3.3 水分重分布

图7 为试验结束后试样最终总质量含水量分布，100%表示上冷浴盘表面附着的冰晶层。由图7 可知：在“锅盖效应”作用下，大量气态水可绕过冻结区孔隙冰不断向上迁移直至上冷浴盘，冷凝形成冰晶层（如图8 所示）；气态水迁移使得冻结区上部（深度范围：0～8 cm）的含水量均低于初始含水量；冻深范围内（深度范围：0～13 cm），含水量沿深度方向呈现递增的趋势，并在冻结锋面处（深度约13 cm）达到最大值，且冻结锋面处的含水量均高于试样的初始含水量；对于未冻区（深度范围：13～20 cm），在气态水迁移模式下，含水量沿深度方向呈现递减的趋势，基本接近或低于初始含水量，在水气混合迁移模式下，液态水集聚，此区域的含水量均高于初始含水量。

图7 冻结结束后试样水分重分布情况

图8 上冷浴盘表面附着的冰晶层

冻结过程结束后，对于同一水分迁移模式而言，较高细粒含量试样的含水量均大于较低细粒含量试样的含水量，细粒含量的增加更有利水分在粗颗粒填料中迁移；水气混合迁移模式下试样的含水量均高于气态水迁移模式下试样的含水量。

3.4 液态水迁移高度

冻结过程中采用工业相机采集土样图像，外界掺荧光素液态水迁移进土样后，此部分与其他土质在紫外线灯下图像呈现不同的颜色。图9为水气混合迁移模式下试样F5L0 和F15L0 不同冻结时刻对液态水向上迁移的图像追踪。量测可得到液态水迁移高度时程曲线，如图10 所示。结合图9 及图10可知：水气混合迁移模式下，外界水向粗颗粒填料试样内部补给，在一定时间内液态水迁移至最大高度，而此时试样下方的水分仍持续向粗颗粒填料试样冻结区继续迁移；试样F15L0 的液态水迁移高度明显大于试样F5L0，液态水向上迁移的时间延长，较多的细粒土提升了粗颗粒填料试样的毛细作用，使得液态水更容易向上迁移；由于液态水重力势的阻碍作用，液态水迁移至一定高度后达到稳定状态。

图9 液态水迁移高度

图10 液态水迁移高度时程曲线

3.5 冻胀变形

图11 为粗颗粒填料试样冻胀变形时程曲线。由图11 可知：冻结初期粗颗粒填料试样冻胀变形快速发展，并在冻结4 h 后冻胀变形达到稳定状态；相同细粒含量下，水气混合迁移模式下的冻胀变形均大于气态水迁移模式，这说明水气混合迁移模式下，粗颗粒填料试样的冻胀是由于气态水和液态水迁移共同作用所引起的。

图11 冻胀变形时程曲线

相同迁移模式下，较大细粒含量试样的冻胀变形大于较小细粒含量试样的冻胀变形，细粒含量的增加导致粗颗粒填料试样冻胀变形增长。结合外界水补给和含水量分布情况可知，细粒土含量增加有利于液态水的迁移，引起冻结锋面处含水量增大，从而产生较大的冻胀变形。

假定水气混合迁移试样与气态水迁移试样中气态水对冻胀变形的贡献相同，得到试样最终冻胀变形量及气态水贡献占比，见表4。由表4 可知：气态水对冻胀变形的贡献占比较大，细粒含量变化对其贡献占比几乎没有影响。

表4 试样最终冻胀变形量及气态水贡献占比

4 冻胀机理

单向冻结模式下，粗颗粒填料中的水分以液态水、气态水和冰晶的形式存在于颗粒孔隙中。液态水迁移受到温度势、基质势（毛细势）和重力势的共同作用，气态水迁移则受到温度势和基质势（含水量梯度）的共同作用，且外界补水的驱动力主要来源于温度势。

温度势相同时，粗颗粒填料中较大且连通的孔隙为气态水迁移提供了有利条件。随着细粒含量的增加，粗颗粒填料中的大孔隙减少，为液态水迁移提供了更多的毛细上升通道，水分迁移量增加，冻结锋面聚集更多水分，其在粗颗粒填料中的迁移高度增加，冻胀变形增长更快，最终冻胀变形量更大。但同时，细粒含量增加可能填充土体孔隙，堵塞气态水迁移通道，使得气态水迁移量减小。液态水在此过程中仅能上升到一定高度，但并不意味着液态水迁移在此时刻之后停止，而是外界液态水迁移不能继续向上到更高高度，外界补水以气态水的方式连同试样中原有的水分（液态水或气态水的形式）可以继续迁移向上，气态水甚至可穿越冻结区粗颗粒土之间未被填充的孔隙到达上冷浴盘顶面凝华形成薄冰层，此时外界水分仍然可以水气混合迁移方式继续补充。

季节冻土区高铁路基设计和建设过程中，多采用严格控制粗颗粒填料中细粒含量的方法作为有效的冻胀防控措施。然而，依据上述研究成果可知，将粗颗粒填料的细粒含量控制在较低的范围时，气态水的迁移将占据主导地位，导致冻深范围内的粗颗粒填料含水量较高，从而引起较大的冻胀变形，同时亦影响粗颗粒填料填筑施工时的压实质量［15］。因此，在季节冻土区高铁路基设计中，除了严格控制粗颗粒填料的细粒含量以外，还需设置毛细土工布［24］等土工合成材料，及时疏干粗颗粒填料中的水分。