張玉芝，王天亮，張 飛，馮卓鑫

（1.石家莊鐵道大學河北省大型結構健康診斷與控制重點實驗室，河北石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學省部共建交通工程結構力學行為與系統(tǒng)安全國家重點實驗室，河北石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，河北石家莊 050043；4.石家莊鐵道大學土木工程學院，河北石家莊 050043）

在季節(jié)性凍土區(qū)，因傳統(tǒng)凍脹理論認為細粒含量不大于15%的粗顆粒填料是不凍脹土［1］，粗顆粒填料廣泛應用于高鐵路基基床底層。然而，已有季節(jié)性凍土區(qū)高鐵路基出現(xiàn)了多處因粗顆粒填料凍脹導致的路基上拱問題［2-4］，嚴重影響高速列車的正常運營和安全。

高鐵路基粗顆粒填料通常處于非飽和狀態(tài)，非飽和土較大且連通的孔隙在凍結過程中雖不利于液態(tài)水毛細上升，卻為氣態(tài)水遷移創(chuàng)造了良好的條件。溫度梯度作用下氣態(tài)水遷移的現(xiàn)象早在農(nóng)田土壤特性研究中得到證實［5］。通過對加拿大和美國北部寒區(qū)的公路路基進行現(xiàn)場監(jiān)測，Eigenbrod 和Kennepohl［6］也發(fā)現(xiàn)適宜的溫度梯度和孔隙特征是造成瀝青混凝土路面下碎石填料水分積聚的主要原因。這種溫度梯度作用下土體封閉覆蓋層下方含水量增大的現(xiàn)象被稱之為“鍋蓋效應”［7］。通過室內試驗和理論分析，多位學者進一步證實了非飽和土體中的“鍋蓋效應”。Gao 等［8］認為在粗顆粒填料初始含水量較低時，氣態(tài)水遷移導致的試樣表面凍脹變形更為明顯。Zhang 等［9］和He 等［10］分別通過建立數(shù)值模型和室內試驗研究了初始含水量、溫度邊界等因素對非飽和粉砂土和鈣質砂水氣遷移特征的影響，認為氣態(tài)水遷移對土樣中冰晶形成影響顯著。Wang 等［11］和Zhang 等［12］采用熒光素示蹤劑和毛細水隔斷多孔板的方法，通過室內試驗量化了恒溫和梯級溫度凍結模式下初始含水量不同的粗顆粒填料試樣中氣態(tài)水遷移在水氣混合遷移模式中的占比，認為氣態(tài)水遷移在粗顆粒填料水氣遷移中占據(jù)主導地位。可見，研究者已經(jīng)認識到氣態(tài)水遷移對寒區(qū)高鐵路基凍脹變形的重要貢獻，然而目前尚未有研究涉及細粒含量對粗顆粒填料水氣遷移特征及凍脹發(fā)展的影響。

細粒含量是評價高鐵路基粗顆粒填料凍脹敏感性的重要指標。控制細粒含量可以有效降低粗顆粒填料的凍脹敏感性［13-14］，但同時也會一定程度上削弱粗顆粒填料的壓實效果。在寒區(qū)哈大和哈齊高鐵建設前，凍脹率≤1%的粗顆粒填料即被認為是不凍脹填料，并以此為控制指標通過室內試驗確定寒區(qū)高鐵路基中采用的粗顆粒填料中的細粒含量。石剛強等［15］通過室內試驗分別確定了摻加5%，10%和15%細粒含量的哈大高鐵填料達到1%凍脹率的臨界含水率，提出通過同時控制細粒含量、含水率和壓實度控制填料填筑質量。王天亮等［16］針對哈齊客專所用的細圓礫土，通過室內試驗研究提出了同時滿足壓實性能和凍脹率≤1%要求的細粒含量為9%。此外，學者們還針對細粒土中的黏土礦物成分［17-18］、粒徑范圍［18］和細粒含量［19-20］等因素對粗顆粒填料凍脹敏感性開展了深入研究，并評價了各因素的影響程度。

上述研究在一定程度上指導了寒區(qū)高鐵路基的工程建設。隨著對寒區(qū)高鐵路基凍脹變形機制認識的深入，2016 年發(fā)布的TB 10001—2016《鐵路路基設計規(guī)范》［21］和2018 年發(fā)布的TB 10035—2018《鐵路特殊路基設計規(guī)范》［22］提出了嚴寒地區(qū)高鐵路基粗顆粒填料中細粒含量應控制在5%以下?？紤]到已建寒區(qū)高鐵中細粒含量普遍超過5%，加之建設運營和反復凍融循環(huán)對填料細粒含量的影響，研究細粒含量對粗顆粒填料水分尤其是氣態(tài)水遷移的影響和變化特征，有助于進一步了解和解釋粗顆粒填料凍脹變形發(fā)生發(fā)展規(guī)律。

本文以哈齊高鐵路基粗顆粒填料為研究對象，采用自行研發(fā)的水氣遷移試驗裝置開展單向凍結試驗，研究細粒含量對高鐵路基粗顆粒填料水氣遷移特征與凍脹特性的影響，分析粗顆粒填料凍脹機理。

1 水氣遷移試驗裝置

試驗采用自行研發(fā)的水氣遷移試驗裝置，如圖1 所示。高低溫環(huán)境試驗箱為試樣提供恒定的環(huán)境溫度，箱體長5.5 m，寬5.0 m，高3.5 m。此外，試樣裝置主要包括試樣筒、單向凍結控溫系統(tǒng)、外界水補給系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1 水氣遷移試驗裝置示意圖

試樣筒為內徑200 mm，外徑220 mm，高200 mm 的有機玻璃筒，具有高強度、耐摩擦、高透光的特性，便于進行水分遷移高度追蹤和圖像采集。

單向凍結控溫系統(tǒng)由上、下冷浴盤和NESLab低溫恒溫冷浴（精度為±0.1 ℃）組成，上、下冷浴盤分別置于試樣的頂部和底部，可模擬現(xiàn)場工程的單向凍結模式。

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外界水補給系統(tǒng)由馬氏補水瓶和毛細水隔斷多孔板組成，毛細水隔斷多孔板包括與試樣筒內壁密封相連的套環(huán)和安裝于套環(huán)上且均勻設有若干個小孔的鋼板組成［23］，如圖2 所示。毛細水隔斷多孔板用于隔離外界液態(tài)水，加毛細水隔斷多孔板，僅有氣態(tài)水的遷移，不加毛細水隔斷多孔板，可實現(xiàn)水氣混合遷移，以此控制水分遷移模式。

圖2 毛細水隔斷多孔板

圖像采集系統(tǒng)包括工業(yè)相機和紫光燈，可實時追蹤試樣中熒光素示蹤劑的位置。Wang 等［11］和Zhang 等［12］通過熒光素溶液蒸發(fā)冷凝試驗發(fā)現(xiàn)玻璃蓋板上的水珠在紫光燈照射下沒有顏色，這表明熒光素僅能隨液態(tài)水遷移，無法隨著氣態(tài)水遷移。因此，在工業(yè)相機和紫光燈的輔助下，馬氏補水瓶中水摻加熒光素示蹤劑可用于追蹤外界液態(tài)水遷移高度的變化過程。其中，熒光素和蒸餾水的質量比為1∶200。

傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括鉑電阻溫度傳感器、分體式高精度位移計、DT80 數(shù)據(jù)采集儀和筆記本電腦，鉑電阻溫度傳感器精度為±0.1 ℃，位移計精度為±0.01 mm。

2 單向凍結試驗

2.1 試驗材料

試驗材料為哈齊高鐵基床底層粗顆粒填料，顆粒分布特征如圖3所示。粗顆粒填料不均勻系數(shù)Cu=28.025，曲率系數(shù)Cc=1.815，最大粒徑小于20 mm、大于2 mm 的顆粒質量分數(shù)為52.85%，小于0.075 mm 的顆粒質量分數(shù)為8.29%，最優(yōu)含水率為5.9%，最大干密度為2.258 g·cm-3，為級配良好的細角礫土，屬于A2組鐵路路基填料［21］。

圖3 哈齊高鐵基床底層粗顆粒填料的顆粒粒徑分布曲線

根據(jù)試驗要求，去除粗顆粒填料中小于0.075 mm 的細粒土，并按照質量分數(shù)分別摻加5%和15%的細粒土，得到細粒含量分別為5%和15%的2 種粗顆粒填料，級配見表1。其中5%細粒含量的粗顆粒填料不均勻系數(shù)Cu=28.025，曲率系數(shù)Cc=1.815，最優(yōu)含水率為5.9%，最大干密度為2.258 g·cm-3；15%細粒含量的粗顆粒填料不均勻系數(shù)Cu=47.44，曲率系數(shù)Cc=1.583，最優(yōu)含水率為7.3%，最大干密度為2.297 g·cm-3，均為級配良好的鐵路路基填料。

表1 細粒含量5%和15%的粗顆粒填料級配

2.2 試驗方案

為研究粗顆粒填料中水氣遷移特征及細粒含量的影響，設置以下4 組試驗，試驗初始條件及水分遷移模式見表2。其中，各試樣的初始含水率均為最優(yōu)含水率。

表2 粗顆粒填料水氣遷移試驗方案

2.3 制樣及試驗過程

按照最優(yōu)含水率配制土樣并燜料24 h，使土樣含水率均勻一致。將制備好的土樣按壓實系數(shù)0.95于試樣筒中分5層擊實，每層40 mm，擊實過程中將溫度傳感器按設定高度埋置于土樣中，并在試樣頂部放置塑料薄膜以防止水分損失。將上、下冷浴盤溫度設為5 ℃并持續(xù)24 h，待試樣內部溫度恒定后，試樣制備完畢，準備凍結試驗。

整個試驗過程中，記錄圖像、溫度、位移和水位等試驗數(shù)據(jù)。試驗結束后立即拆樣，按20 mm間隔共取10 層，采用烘干法分層測定不同高度處含水量。

3 試驗結果與分析

3.1 溫度場與凍結深度

圖4 為粗顆粒填料試樣不同深度對應的溫度時程曲線。以粗顆粒填料凍結溫度-0.15°C 為凍結溫度，可得到試樣凍結深度的演化過程，如圖5 所示。分析圖4 和圖5 可知，單向凍結模式下，粗顆粒填料試樣溫度場演化過程呈現(xiàn)3個階段：0～8 h，凍結鋒面快速向下移動，為快速凍結階段；8～24 h，凍結速率減緩，為緩慢凍結階段；24～72 h，凍結深度達到最大值，為穩(wěn)定凍結階段。由圖5 可知：所有試樣的最大凍結深度位于12.87～13.30 cm 處，這說明細粒含量和水分遷移模式對試樣凍結過程和凍結深度的影響不顯著。

圖4 試樣F5L0不同深度溫度時程曲線

圖5 試樣凍結深度時程曲線

3.2 外界補水量

圖6 為凍結過程中粗顆粒填料試樣外界補水量時程曲線。由圖6可知：外界補水量亦呈現(xiàn)快速增長、緩慢增長和趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，但各階段外界補水量發(fā)展均滯后于凍結深度的發(fā)展，由此可見，溫度梯度變化是外界水源向粗顆粒填料試樣內部補給的主要內在驅動力；水氣混合遷移模式下，外界補水量隨粗顆粒填料試樣中細粒含量的增加而增大；氣態(tài)水遷移模式下，外界補水量隨細粒含量的增加而減小。

圖6 試樣外界補水量時程曲線

考慮到細粒含量相同的試樣除水分遷移模式外，土樣及外界條件完全相同，因此假定細粒含量相同時，水氣混合遷移試樣與氣態(tài)水遷移試樣中氣態(tài)水遷移量相同，可得到氣態(tài)水占外界補水量的百分比，見表3。由表3 可知：氣態(tài)水占比隨細粒含量的增加而減小，這主要是由于細粒土表面吸附能較大，具有較好的持水能力，為液態(tài)水提供了良好的毛細遷移通道，因此較大的細粒含量更有利于液態(tài)水遷移，并在一定程度上限制了氣態(tài)水遷移。

表3 試樣外界補水量及氣態(tài)水占比

3.3 水分重分布

圖7 為試驗結束后試樣最終總質量含水量分布，100%表示上冷浴盤表面附著的冰晶層。由圖7 可知：在“鍋蓋效應”作用下，大量氣態(tài)水可繞過凍結區(qū)孔隙冰不斷向上遷移直至上冷浴盤，冷凝形成冰晶層（如圖8 所示）；氣態(tài)水遷移使得凍結區(qū)上部（深度范圍：0～8 cm）的含水量均低于初始含水量；凍深范圍內（深度范圍：0～13 cm），含水量沿深度方向呈現(xiàn)遞增的趨勢，并在凍結鋒面處（深度約13 cm）達到最大值，且凍結鋒面處的含水量均高于試樣的初始含水量；對于未凍區(qū)（深度范圍：13～20 cm），在氣態(tài)水遷移模式下，含水量沿深度方向呈現(xiàn)遞減的趨勢，基本接近或低于初始含水量，在水氣混合遷移模式下，液態(tài)水集聚，此區(qū)域的含水量均高于初始含水量。

圖7 凍結結束后試樣水分重分布情況

圖8 上冷浴盤表面附著的冰晶層

凍結過程結束后，對于同一水分遷移模式而言，較高細粒含量試樣的含水量均大于較低細粒含量試樣的含水量，細粒含量的增加更有利水分在粗顆粒填料中遷移；水氣混合遷移模式下試樣的含水量均高于氣態(tài)水遷移模式下試樣的含水量。

3.4 液態(tài)水遷移高度

凍結過程中采用工業(yè)相機采集土樣圖像，外界摻熒光素液態(tài)水遷移進土樣后，此部分與其他土質在紫外線燈下圖像呈現(xiàn)不同的顏色。圖9為水氣混合遷移模式下試樣F5L0 和F15L0 不同凍結時刻對液態(tài)水向上遷移的圖像追蹤。量測可得到液態(tài)水遷移高度時程曲線，如圖10 所示。結合圖9 及圖10可知：水氣混合遷移模式下，外界水向粗顆粒填料試樣內部補給，在一定時間內液態(tài)水遷移至最大高度，而此時試樣下方的水分仍持續(xù)向粗顆粒填料試樣凍結區(qū)繼續(xù)遷移；試樣F15L0 的液態(tài)水遷移高度明顯大于試樣F5L0，液態(tài)水向上遷移的時間延長，較多的細粒土提升了粗顆粒填料試樣的毛細作用，使得液態(tài)水更容易向上遷移；由于液態(tài)水重力勢的阻礙作用，液態(tài)水遷移至一定高度后達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 液態(tài)水遷移高度

圖10 液態(tài)水遷移高度時程曲線

3.5 凍脹變形

圖11 為粗顆粒填料試樣凍脹變形時程曲線。由圖11 可知：凍結初期粗顆粒填料試樣凍脹變形快速發(fā)展，并在凍結4 h 后凍脹變形達到穩(wěn)定狀態(tài)；相同細粒含量下，水氣混合遷移模式下的凍脹變形均大于氣態(tài)水遷移模式，這說明水氣混合遷移模式下，粗顆粒填料試樣的凍脹是由于氣態(tài)水和液態(tài)水遷移共同作用所引起的。

圖11 凍脹變形時程曲線

相同遷移模式下，較大細粒含量試樣的凍脹變形大于較小細粒含量試樣的凍脹變形，細粒含量的增加導致粗顆粒填料試樣凍脹變形增長。結合外界水補給和含水量分布情況可知，細粒土含量增加有利于液態(tài)水的遷移，引起凍結鋒面處含水量增大，從而產(chǎn)生較大的凍脹變形。

假定水氣混合遷移試樣與氣態(tài)水遷移試樣中氣態(tài)水對凍脹變形的貢獻相同，得到試樣最終凍脹變形量及氣態(tài)水貢獻占比，見表4。由表4 可知：氣態(tài)水對凍脹變形的貢獻占比較大，細粒含量變化對其貢獻占比幾乎沒有影響。

表4 試樣最終凍脹變形量及氣態(tài)水貢獻占比

4 凍脹機理

單向凍結模式下，粗顆粒填料中的水分以液態(tài)水、氣態(tài)水和冰晶的形式存在于顆?？紫吨小Ｒ簯B(tài)水遷移受到溫度勢、基質勢（毛細勢）和重力勢的共同作用，氣態(tài)水遷移則受到溫度勢和基質勢（含水量梯度）的共同作用，且外界補水的驅動力主要來源于溫度勢。

溫度勢相同時，粗顆粒填料中較大且連通的孔隙為氣態(tài)水遷移提供了有利條件。隨著細粒含量的增加，粗顆粒填料中的大孔隙減少，為液態(tài)水遷移提供了更多的毛細上升通道，水分遷移量增加，凍結鋒面聚集更多水分，其在粗顆粒填料中的遷移高度增加，凍脹變形增長更快，最終凍脹變形量更大。但同時，細粒含量增加可能填充土體孔隙，堵塞氣態(tài)水遷移通道，使得氣態(tài)水遷移量減小。液態(tài)水在此過程中僅能上升到一定高度，但并不意味著液態(tài)水遷移在此時刻之后停止，而是外界液態(tài)水遷移不能繼續(xù)向上到更高高度，外界補水以氣態(tài)水的方式連同試樣中原有的水分（液態(tài)水或氣態(tài)水的形式）可以繼續(xù)遷移向上，氣態(tài)水甚至可穿越凍結區(qū)粗顆粒土之間未被填充的孔隙到達上冷浴盤頂面凝華形成薄冰層，此時外界水分仍然可以水氣混合遷移方式繼續(xù)補充。

季節(jié)凍土區(qū)高鐵路基設計和建設過程中，多采用嚴格控制粗顆粒填料中細粒含量的方法作為有效的凍脹防控措施。然而，依據(jù)上述研究成果可知，將粗顆粒填料的細粒含量控制在較低的范圍時，氣態(tài)水的遷移將占據(jù)主導地位，導致凍深范圍內的粗顆粒填料含水量較高，從而引起較大的凍脹變形，同時亦影響粗顆粒填料填筑施工時的壓實質量［15］。因此，在季節(jié)凍土區(qū)高鐵路基設計中，除了嚴格控制粗顆粒填料的細粒含量以外，還需設置毛細土工布［24］等土工合成材料，及時疏干粗顆粒填料中的水分。

5 結 論

（1）單向凍結模式下，粗顆粒填料試樣呈現(xiàn)快速、緩慢和穩(wěn)定的凍結過程，細粒含量和水分遷移模式對凍結過程和凍結深度的影響不顯著。

（2）細粒含量的增加有利于粗顆粒填料試樣中的液態(tài)水遷移，但在一定程度上限制了氣態(tài)水遷移。細粒含量越大，液態(tài)水遷移高度越高，外界補水量越大，凍結鋒面水分聚集越多。水氣混合遷移模式下試樣的補水量和含水量均高于氣態(tài)水遷移模式。

（3）細粒含量的增加導致粗顆粒填料試樣凍脹變形增大，水氣混合遷移模式下的凍脹變形均大于氣態(tài)水遷移模式。

（4）單向凍結模式下，粗顆粒填料試樣中水分遷移特征是溫度勢、基質勢和重力勢共同作用的結果，其中溫度勢是外界水分向粗顆粒填料試樣內部補給的主要內在驅動力。