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基于荧光素和图像追踪技术的冻融循环作用下土体水汽迁移量测装置系统研究.docx
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基于荧光素和图像追踪技术的冻融循环作用下土体水汽迁移量测装置系统研究.docx
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0 引言
目前,我国高速铁路已经形成了世界上最大规模和最高运营速度的高速铁
路网,已建成运营的哈大、哈齐、京沈、兰新等高速铁路全部或者大部分穿越
了深季节冻土区。尽管事先采取了各种工程措施,寒区路基的冻胀问题仍普遍
发生
[ 1-3 ]
。Zhang 等
[ 4]
通过对哈大高速铁路的现场监测发现,路基隆起主要
发生在被广泛认为不易受冻结影响的粗颗粒填料中,并认为冻胀是列车循环动
载引发的孔隙水流动诱发的。张玉芝等
[ 5]
通过对哈大高铁进行现场监测并建
模分析,认为路基中水分重分布引起的土体冻胀率、融沉压缩系数等的变化是
影响季节冻土区高速铁路路基变形稳定性的主要原因。
对于高铁路基填筑的粗颗粒填料而言,水汽迁移推动粗颗粒土中细粒结构
变形从而发生冻胀,可能是非饱和粗颗粒填料冻胀变形来源的合理解释
[ 6-9 ]
。
早期针对农业中的水分迁移现象,Bouyoucos
[ 10]
通过试验发现在温度梯度作
用下,非饱和土中存在少量的气态水由高温向低温迁移的现象。Bouyoucos 等
[ 11]
、Lovell
[ 12]
提出当土冻结时,不是所有的水在土壤孔隙以正常的凝固点发
生相态变化,这意味着液态水、冰和气态水可以并存于冻土,而具有流体性质
的液态水和气态水都有可能在土中发生迁移,导致水分的重分布。目前,有关
冻融循环作用下水分迁移的研究多以细粒土液态水迁移为主,姚仰平等
[ 13]
、
罗汀等
[ 14]
分别对细粒土水分迁移中的锅盖效应做出相应的试验和数值模拟研
究,认为冻结状态下水汽迁移并冻结成冰,顶部和冻结锋面处含水量增加明显。
这说明气态水迁移存在于细粒土中,且低温环境可以实现水分三种相态的转变。
但目前较少有研究涉及粗粒土中水汽迁移
[ 15-16]
,因此冻融作用下粗粒土中气
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87489158/bg2.jpg)
态水迁移的存在性和相关规律至今没有形成共识,缺乏可行的水汽迁移检测装
置及试验方法也是限制这一类研究的重要因素。
可视化的装置系统,可以实时追踪到水分在整个试样中的迁移过程以及追
踪冰晶的形成过程,能够更直观地观测到冻融作用下土中水分的迁移及聚集。
基于此,国内外学者研发了一系列新的室内试验装置和试验方法,并据此提出
了相应的水分迁移理论和假设
[ 17-19]
。王永涛等
[ 20]
研发了基于数字图像技术的
土冻胀试验系统,利用该系统并结合图像处理技术,对青藏粉土的冻胀发展过
程和冰分凝过程进行了分析,追踪到了土样中冰晶和裂缝的形成和发展过程。
周金生等
[ 21]
利用图像二值化处理过程,实现了对冻结过程中分凝冰演化规律
及冻结边缘特征的研究。Xia
[ 22]
使用荧光素标定的方法对细粒土中的冻胀进行
了研究,实现了细粒土中液态水迁移路径的追踪,表明荧光素可以有效追踪水
分的变化过程。
本文针对冻融作用下粗粒土水汽迁移的可视化追踪需求,提出基于荧光素
作为示踪剂的试验方法,使用改造过的双层中空有机玻璃筒作为容器以隔绝外
部环境温度影响,增设液态水隔离装置、图像采集系统等,并开展了一系列可
行性试验,验证了所提出试验方法和装置系统的有效性。
1 水汽迁移试验方法
1.1 水 汽 迁 移 试 验可视 化 关 键 技术
传统的水分迁移试验缺乏可视性,无法直观地观察水分的变化规律。荧光
素示踪剂(C
20
H
12
O
5
)
[ 19, 22]
在紫光灯下,未冻区呈现黄绿色,冻结区呈现深
褐色。在水中掺入荧光素示踪剂,利用图像采集系统,可实现实时追踪水分及
冻结锋面的迁移过程。
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1.1.1 示 踪 剂 示 踪 技术的 应 用
为了验证荧光素示踪剂在水汽混合迁移试验中的可行性,本文分别对 AB
填料、标准石英砂、粉质黏土做了追踪试验。AB 填料取自哈齐客专路基的基
床 A、 B 组 填 料
[ 23-24 ]
, 其 中 0.075<d
10
<0.25 , 取 d
10
=0.1, d
30
=1 , d
60
=5 ,
C
u
=50,C
c
=2,粒径大于 2 mm 的土占 50%以上,属于细角砾石,级配良好,
为 A1 填料,颗粒组成如图 1 所示。
图 1
图 1 颗粒级配曲线
Fig.1 Particle grading curve
用渗透试验的方法,分别使用上述不同土质的土制成圆筒状试样。连接管
上方接到静脉滴注吊瓶,下方连接试样底部,在静脉滴注吊瓶中加入 5 g·L
-1
的
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