冻融循环和动荷载作用下高铁路基粗颗粒填料水分迁移追踪与机制研究

Under the freeze-thaw cycles and dynamic load, the water of coarse-grained filling may migrate and redistribute to reduce the freeze-thaw deformation. This may threaten the safety of the train operation in cold regions. The lack of characteristics and microcosmic mechanism of water and heat migration under complicated action modes has restrict the deformation mechanism research, anti-frozen design, operation and maintenance of the high-speed railway. Therefore, the equipment, suitable for the water migration dynamic detection and real-time tracing under freeze-thaw cycles coupled with dynamic loads, will be developed. Through the tracer and image processing techniques, both macroscopic and microcosmic methods are used to realize the tracing of water migration and the monitoring of microcosmic structural charateristics. The water and heat migration characteristics influenced by various complicated fators will be gradually studied. The relations between macroscopic characteristics and microcosmic structure changes will be analyzed to reveal the driving force of water migration and transporatation modes of water-heat-particle. The study will be conductive to define the deformation source of coarse-grained fillings, enrich and supplement the frost heaving theories of coarse-grained soil, and provide theoretical support for structure design, frost heaving forecast and reinforce measures choice of the high-speed railway roadbed in cold regions.

冻融循环和动荷载作用下，高铁路基粗颗粒填料发生水分迁移及重分布，导致路基发生变形，进而可能危及行车安全。而目前对高铁路基粗颗粒填料复杂作用模式下水热迁移特征及微观机制研究欠缺，制约了高铁路基变形机理研究、防冻胀设计及运营维护。针对这一问题，本项目提出研发适宜于冻融循环和动荷载耦合作用下粗颗粒填料水分迁移过程动态检测与实时追踪的试验装置，通过示踪剂追踪和图像处理技术，采用宏观和微观相结合的研究方法，实现粗颗粒填料水热迁移过程的追踪和土体微观结构变化特征的观测，逐步深入研究多种复杂因素组合下粗颗粒填料的水热迁移特征，分析土体宏观特征与微观结构变化之间的联系，揭示粗颗粒填料水分迁移驱动力及水热颗粒的输运模式。本项目的研究有利于明确粗颗粒填料冻融变形的来源，丰富和补充粗颗粒土冻胀理论，为寒区高速铁路路基的结构设计、冻胀变形预测预报及补强措施的选用等提供理论依据。

在寒冷的季节性冻土地区，由于特殊的地理环境及高铁列车对路基强度及稳定性较高的要求，设计者考虑采用传统冻胀理论认为的冻胀不敏感粗颗粒填料对路基进行填筑来减小其冻胀。然而在实际工程监测过程中，发现一定条件下高铁路基冻胀仍然超过了规范要求。由于粗粒土内部较大的孔隙和良好的渗透性，现场填筑的粗颗粒填料为非饱和状态。非饱和冻土中，相互联系的孔隙未被冰堵塞时，气态水迁移不可忽略，为外界气态水的补给及迁移创造良好条件，因此粗颗粒填料内部气态水迁移可能是其冻胀的主要原因。高铁路基粗颗粒填料水汽迁移机制是粗粒土冻胀理论的重要补充。 .为了验证冻融循环作用下粗粒土中气态水迁移的存在性，揭示水汽迁移的规律与机制，解决寒区路基冻胀问题，本项目基于荧光素示踪技术和图像处理技术提出了一种研究冻融作用下水汽迁移规律的试验方法，研发了土体水分迁移量测装置系统，可实现直观追踪水汽迁移的过程。而后利用此试验系统，分析了恒温冻结和梯度冻结这两种冻结模式下不同初始含水率对水分重分布的影响规律，研究了开放条件下细粒含量和静动荷载对冻结粗粒土水汽迁移规律的影响，研究了冻融循环次数、压实系数、降温模式等因素对土体水热汽效应的影响，分析了气态水在水汽迁移中的作用以及粗颗粒土中水热汽效应对寒区高铁路基工程的影响。分析了不同初始含水率的试样在冻融循环试验过程中的温度场、冻深发展、水分迁移量、水分迁移高度、水分重分布以及在荷载条件下的冻胀融沉位移等发展变化，并且结合细观研究方法，通过X-CT扫描试样冻融前后粗颗粒结构形态分布特征，利用Matlab对X-CT图像进行处理，提取CT值，用以表征试样在冻融前后的密度变化及损伤程度。采用宏细观试验相结合的研究方法，解释了粗颗粒填料水分迁移机制，在此基础上提出了寒区高铁路基防冻胀措施建议。