一种高铁路基填料中细粒土掺量上限的确定方法

摘要

本发明公开一种高铁路基填料中细粒土掺量上限的确定方法，包括如下步骤：(1)制备不同细粒土含量的填料样品；(2)进行室内冻胀试验，测得各填料样品的冻胀率；(3)对各填料样品进行X射线层析扫描，采用图像处理算法统计分析各填料样品中细粒土分布的连通区域和计盒分形维数，分别与细粒土含量建立函数关系；(4)综合分析连通区域、计盒分形维数随细粒土含量的变化趋势以及不同细粒土含量对应的冻胀率，确定路基填料中细粒土的最大掺量。本发明考虑了细粒土填料分布及微观孔隙分布的影响，采用孔隙结构微观分析方法及图像处理方法，能够准确地得出满足非冻胀填料要求的细粒掺量上限，从而可开发出优异耐久性的高铁路基用填料。

说明书

技术领域

本发明提供一种高铁路基填料中细粒土掺量上限的确定方法，属于高速铁路路基用填料施工领域。

背景技术

高速铁路以其运营速度高、能源消耗少、环境污染低等突出特点，已成为资源节约、环境友好型社会首选的大众交通工具。我国东北地区纬度高，地形地貌复杂，季节性冻土区分布较为广泛，哈齐、哈大等高铁客运专线大部分线路处于这种严寒环境中。

严寒环境下路基的最大冻胀量可达8mm，严重影响了路基的平顺性。高速铁路列车在高速运行状态下对路基的变形响应更加敏感，微小的路基冻胀就会影响铁路的平顺性和乘坐舒适度，更为严重的是影响列车的行驶安全，也大大增加了铁路工务部门的线路维护工作量及维护费用。冻胀问题通常表现为路基变形，从而引起轨道面高程发生变化、造成轨道不平顺问题，严重情况会影响列车的运行安全。

高铁路基填料包括碎石骨料及细粒土填料，细粒土填料微结构是指粗细颗粒和孔隙的大小、形状、空间排列分布、接触连结方式等，是决定工程性质的重要因素之一，其直接影响了路基的冻胀敏感性，因此，确定路基填料中细粒土的允许掺量尤为重要，现有技术中通常采用室内冻胀试验来测试路基填料的冻胀性，以此来确定细粒土的掺量是否满足要求，但是，仅以冻胀性来判断细粒土的允许掺量不够全面，无法准确获知细粒土的允许掺量，而且，该测试方法较为繁琐，测试效率低。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种更为科学合理的高铁路基填料中细粒土掺量上限的确定方法，该方法以冻胀性能和微观结构双重导向，能够更准确且方便快速地确定细粒土的掺量上限，从而开发出具有优异耐久性的高铁路基填料。

技术方案：本发明所述的一种高铁路基填料中细粒土掺量上限的确定方法，包括下述步骤：

(1)制备不同细粒土含量的填料样品；

(2)模拟工程环境进行室内冻胀试验，测得各填料样品的冻胀率；

(3)对各填料样品进行X射线层析扫描，采用图像处理算法统计分析各填料样品中细粒土分布的连通区域和计盒分形维数，分别与细粒土含量建立函数关系；

(4)综合分析连通区域、计盒分形维数随细粒土含量的变化趋势以及不同细粒土含量对应的冻胀率，确定路基填料中细粒土的最大掺量。

较优的，步骤(3)中，可将填料样品中细粒土分布的连通区域及计盒分形维数与冻胀率建立函数关系，后期针对同类填料，通过X射线层析扫描填料的微结构来预测其冻胀率，然后根据步骤(4)判断细粒土最大掺量。采用此方法，可快速检测路基材料的冻胀性，无需再次进行传统室内冻胀试验，经济高效。

上述步骤(1)中，可以细粒土作为填料，级配碎石作为骨料，通过级配设计理论和实验方法制备不同细粒土含量的路基填料样品。优选的，碎石骨料的级配范围为0.075mm～31.5mm连续级配，细粒土的质量分数为0～30％，其中，细粒土的质量分数为细粒土的质量占碎石骨料的质量百分数。

上述步骤(3)中，对填料样品进行X射线层析扫描时，优选控制所述扫描图像的分辨率小于60μm。进一步的，通过X射线层析扫描获取各填料样品的扫描图像后，先采用MATLAB图像处理分析模块，根据图像像素灰度差异，对各填料样品的扫描图像进行阈值分割，提取样品孔隙结构分布及细粒结构分布，然后根据提取的信息统计计算出各路基填料样品中细粒土分布的连通度和计盒分形维数。

步骤(4)中，具体的，当填料样品中细粒土分布的计盒分形维数>1.8时、或连通区域随细粒土含量变化发生数量级增大时、或填料样品的冻胀率>1％时，说明对应填料为冻胀填料，所述细粒土最大掺量即为满足非冻胀填料要求的最大细粒土含量。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明以冻胀性能和微观结构为导向，采用孔隙结构微观分析方法及两种图像计算处理方法，考虑了细粒土填料分布及微观孔隙分布的影响，结合连通度及分形维数的计算方法分析细粒土填料的X射线扫描切片图，分析其冻胀性能等方面，能够准确地得出满足非冻胀填料要求的细粒掺量上限，从而可开发出具有优异耐久性能的高铁路基用填料；(2)本发明的方法可通过在连通度及分形维数与冻胀率之间建立关系，快速检测路基材料的冻胀性，确定细粒土掺量上限，无需重复进行传统室内冻胀试验来获取冻胀率，从而可快速高效地测得同类填料的最大细粒土掺量。

附图说明

图1为实施例中对填料样品进行X射线层析扫描及后续图像处理过程的相应图像，其中图1(a)为通过X射线层析扫描获得的填料样品的切片扫描图像，图1(b)为从图1(a)中提取的进行阈值分割的目标区域，图1(c)为对图1(b)中目标区域进行阈值分割后提取的细粒土部分图像，图1(d)为从图1(c)中提取的最大连通区域部分的图像；

图2为实施例中细粒土掺量与路基填料冻胀规律的关系曲线图；

图3为实施例中细粒土掺量与路基填料细粒土分布连通区域的关系曲线图；

图4为实施例中细粒土掺量与路基填料细粒土分布计盒分形维数的关系曲线图；

图5为实施例中路基填料细粒土分布的连通区域与填料冻胀率的关系曲线图；

图6为实施例中路基填料细粒土分布的计盒分形维数与填料冻胀率的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的一种高铁路基填料中细粒土掺量上限的确定方法，包括下述步骤：

(1)制备不同细粒土含量的填料样品；

以细粒土作为填料，级配碎石作为骨料，先通过级配设计理论和实验方法制备样品；骨料采用同组碎石级配，级配范围为0.075mm～31.5mm连续级配，添加质量分数为0％～30％的细粒土(细粒土的质量分数为细粒土的质量占碎石骨料的质量百分数)，加水至最佳含水率，水的质量分数为细粒土与碎石总质量的5％～7％，搅拌压实成型，得到不同细粒土质量分数的路基填料样品。

(2)模拟工程环境进行室内冻胀试验，测得各填料样品的冻胀率；

(3)对各填料样品进行X射线层析扫描，采用图像处理算法统计分析各填料样品中细粒土分布的连通区域和计盒分形维数，分别与细粒土含量建立函数关系；

通过X射线层析扫描获取各路基填料样品的切片扫描图像，控制图像分辨率小于60μm；先采用MATLAB图像处理分析模块，根据图像像素灰度差异，对各填料样品的扫描图像进行阈值分割，提取各样品的孔隙结构分布及细粒土结构分布；然后处理分析提取的孔隙结构分布及细粒土结构分布，统计计算各样品的连通区域及计盒分形维数，定量表征细粒团聚结构的分布特征(平均连通区域＜0.05mm²，最大连通区域＜1.00mm²，计盒分形维数＜1.8)。

(4)综合分析连通区域、计盒分形维数随细粒土含量的变化趋势以及不同细粒土含量对应的冻胀率，确定路基填料中细粒土的最大掺量。

当填料样品中细粒土分布的计盒分形维数>1.8时、或连通区域随细粒土含量变化发生数量级增大时、或填料样品的冻胀率>1％时，说明对应填料为冻胀填料，严禁用于高铁建设，因此，满足非冻胀填料要求的最大细粒土含量即为细粒土最大掺量。

为进一步提高本发明方法的效率，可将填料样品中细粒土分布的连通区域及计盒分形维数与冻胀率建立函数关系，后期针对同类填料，通过X射线层析扫描填料的微结构即可预测其冻胀率，判断细粒土是否符合非冻胀特性。采用此方法，可快速检测路基材料的冻胀性，无需再次进行传统室内冻胀试验，经济高效。

实施例

称取同等质量的级配碎石，取自来水以及质量分数分别为3％、5％、8％、10％、15％、20％、30％的细粒土，充分混合后压实成型，温度20±2℃及湿度90％以上的条件下养护一天，获得不同细粒土掺量的路基填料样品。

采用传统室内冻胀试验对各路基填料的冻胀率进行测试，如图2。

通过X射线扫描获得各样品的切片扫描图像，分别对各样品的切片扫描图像进行阈值分割处理，提取样品孔隙结构分布及细粒结构分布；图1(a)～1(d)为某样品的图像处理过程，因为原始切片扫描图像会有干扰项，如图1(a)左上角的图片信息，若以整个样品进行计算，样品周围会有边壁效应，边壁孔隙远大于样品内部，提取目标区域时，尽量选择较大且不带边壁处的区域即可。处理分析提取的孔隙结构分布及细粒结构分布，统计计算细粒土分布的连通区域及分形维数，如图3～4。

图2反映了细粒土掺量对路基填料冻胀率的影响，可以看出，细粒土越多，细粒土填料冻胀率越大，细粒土为主要冻胀因素，当细粒土掺量＜15％时，细粒土填料的冻胀率小于1，为非冻胀填料，满足高铁路基填料要求。

图3为细粒土掺量对路基填料细粒分布连通度的影响，可以看出，随着细粒土掺量增加，平均连通区域及最大连通区域均增加，尤其是当细粒土掺量超过10％时，连通急剧增大，呈现数量级的差异。

图4为细粒土掺量对路基填料细粒分布计盒分形维数的影响，可以看到，随着细粒土掺量增加，计盒分形维数增加，当细粒土掺量超过12％时，计盒分形维数大于1.8。

综合分析图2～4可知，本实施例中的路基填料的细粒土掺量上限为10％。

将样品的连通区域及分形维数与冻胀率建立关系，如图5～6。

图5为路基填料细粒土分布的连通度与填料冻胀率的关系曲线图，连通度与冻胀率之间的函数关系可表达如下：

y_mean＝-0.52+1.55x+1.66x²

y_max＝-0.01+0.02x+0.07x²

图6为路基填料细粒土分布的计盒分形维数与填料冻胀率的关系曲线图，分形维数与冻胀率之间的函数关系为：

后期针对该类路基填料，即可采用X-CT扫描微结构，获取其连通度及计盒分形维数，根据上述函数关系式预测出对应填料的冻胀率，从而分析确定出细粒土掺量上限。