基于熒光素和圖像追蹤技術的凍融循環作用下土體水汽遷移量測裝置系統研究

程博遠， 張玉芝， 王天亮， 溫 安， 尹趙愛

（1.石家莊鐵道大學土木工程學院，河北石家莊050043；2.珠海市規劃設計研究院，廣東珠海519000；3.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；4.中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，甘肅蘭州730000；5.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）

0 引言

目前，我國高速鐵路已經形成了世界上最大規模和最高運營速度的高速鐵路網，已建成運營的哈大、哈齊、京沈、蘭新等高速鐵路全部或者大部分穿越了深季節凍土區。盡管事先采取了各種工程措施，寒區路基的凍脹問題仍普遍發生［1-3］。Zhang等［4］通過對哈大高速鐵路的現場監測發現，路基隆起主要發生在被廣泛認為不易受凍結影響的粗顆粒填料中，并認為凍脹是列車循環動載引發的孔隙水流動誘發的。張玉芝等［5］通過對哈大高鐵進行現場監測并建模分析，認為路基中水分重分布引起的土體凍脹率、融沉壓縮系數等的變化是影響季節凍土區高速鐵路路基變形穩定性的主要原因。

對于高鐵路基填筑的粗顆粒填料而言，水汽遷移推動粗顆粒土中細粒結構變形從而發生凍脹，可能是非飽和粗顆粒填料凍脹變形來源的合理解釋［6-9］。早期針對農業中的水分遷移現象，Bouyoucos［10］通過試驗發現在溫度梯度作用下，非飽和土中存在少量的氣態水由高溫向低溫遷移的現象。Bouyoucos等［11］、Lovell［12］提出當土凍結時，不是所有的水在土壤孔隙以正常的凝固點發生相態變化，這意味著液態水、冰和氣態水可以并存于凍土，而具有流體性質的液態水和氣態水都有可能在土中發生遷移，導致水分的重分布。目前，有關凍融循環作用下水分遷移的研究多以細粒土液態水遷移為主，姚仰平等［13］、羅汀等［14］分別對細粒土水分遷移中的鍋蓋效應做出相應的試驗和數值模擬研究，認為凍結狀態下水汽遷移并凍結成冰，頂部和凍結鋒面處含水量增加明顯。這說明氣態水遷移存在于細粒土中，且低溫環境可以實現水分三種相態的轉變。但目前較少有研究涉及粗粒土中水汽遷移［15-16］，因此凍融作用下粗粒土中氣態水遷移的存在性和相關規律至今沒有形成共識，缺乏可行的水汽遷移檢測裝置及試驗方法也是限制這一類研究的重要因素。

可視化的裝置系統，可以實時追蹤到水分在整個試樣中的遷移過程以及追蹤冰晶的形成過程，能夠更直觀地觀測到凍融作用下土中水分的遷移及聚集。基于此，國內外學者研發了一系列新的室內試驗裝置和試驗方法，并據此提出了相應的水分遷移理論和假設［17-19］。王永濤等［20］研發了基于數字圖像技術的土凍脹試驗系統，利用該系統并結合圖像處理技術，對青藏粉土的凍脹發展過程和冰分凝過程進行了分析，追蹤到了土樣中冰晶和裂縫的形成和發展過程。周金生等［21］利用圖像二值化處理過程，實現了對凍結過程中分凝冰演化規律及凍結邊緣特征的研究。Xia［22］使用熒光素標定的方法對細粒土中的凍脹進行了研究，實現了細粒土中液態水遷移路徑的追蹤，表明熒光素可以有效追蹤水分的變化過程。

本文針對凍融作用下粗粒土水汽遷移的可視化追蹤需求，提出基于熒光素作為示蹤劑的試驗方法，使用改造過的雙層中空有機玻璃筒作為容器以隔絕外部環境溫度影響，增設液態水隔離裝置、圖像采集系統等，并開展了一系列可行性試驗，驗證了所提出試驗方法和裝置系統的有效性。

1 水汽遷移試驗方法

1.1 水汽遷移試驗可視化關鍵技術

傳統的水分遷移試驗缺乏可視性，無法直觀地觀察水分的變化規律。熒光素示蹤劑（C20H12O5）［19，22］在紫光燈下，未凍區呈現黃綠色，凍結區呈現深褐色。在水中摻入熒光素示蹤劑，利用圖像采集系統，可實現實時追蹤水分及凍結鋒面的遷移過程。

1.1.1 示蹤劑示蹤技術的應用

為了驗證熒光素示蹤劑在水汽混合遷移試驗中的可行性，本文分別對AB填料、標準石英砂、粉質黏土做了追蹤試驗。AB填料取自哈齊客專路基的基床A、B組填料［23-24］，其中0.075＜d10＜0.25，取d10=0.1，d30=1，d60=5，Cu=50，Cc=2，粒徑大于2 mm的土占50%以上，屬于細角礫石，級配良好，為A1填料，顆粒組成如圖1所示。

圖1 顆粒級配曲線Fig.1 Particle grading curve

用滲透試驗的方法，分別使用上述不同土質的土制成圓筒狀試樣。連接管上方接到靜脈滴注吊瓶，下方連接試樣底部，在靜脈滴注吊瓶中加入5 g·L-1的熒光素，控制熒光素溶液注射速度，使其能夠清晰追蹤水分遷移過程，打開紫光燈，觀察滲透情況。

圖2 為粉質黏土的示蹤劑適用性試驗。在試驗過程中，可見帶有熒光素示蹤劑的水分向上遷移，在紫光燈的作用下，能夠清晰地看見黃綠色水分的遷移路徑。在AB填料和標準石英砂的試驗中也可以觀察到相似的現象，不再贅述。這說明利用5 g·L-1的熒光素示蹤劑追蹤液態水的遷移，并利用紫光燈和相機記錄此過程的方法是可行的。

而且通過試驗證明，在試驗過程中，水分蒸發不會帶走熒光素溶液的溶質。如圖3所示，1號杯中放置熒光素溶液，2號杯中放入拌和熒光素溶液的土，杯子上面放置玻璃板，底部加熱蒸發后，放置在白紙上的玻璃板可以看到，蒸發的氣態水在玻璃蓋上液化后沒有顏色。由此可知，水分蒸發過程不會帶走溶質，因此在液態水遷移試驗中，蒸發不會造成熒光素溶液的遷移，熒光素示蹤劑能夠實現開放補水下凍土中液態水遷移過程的觀測。

此外，根據凍結溫度測試結果，在粗粒土中，無論是否加入熒光素，土體的凍結溫度不會發生變化，而少量的熒光素并不會改變水的密度。所以，熒光素的加入不會改變水分遷移的過程和凍結時間等。

1.1.2 圖像處理技術

圖2 熒光素示蹤劑適用性試驗Fig.2 Applicability test of the tracer for silty clay：penetration test operation（a），1 minute from the beginning of the test（b），tracer migration process（c），and sample submerged by the tracer（d）

圖3 熒光素溶液蒸發試驗Fig.3 Photos showing the evaporation test of fluorescein solution：tracer in the No.1 cup（a），water vapor on the No.1 cup cover（b），soil samples with tracer in the No.2 cup（c），and water vapor on the No.2 cup cover（d）

為了實時追蹤到水分遷移過程，本文增設了圖像采集裝置。圖像采集裝置由工業相機及支架、紫光燈、補光燈、圖像處理終端組成。根據試樣高度調整試樣與工業相機之間的距離、相機的曝光時間、光圈等參數，根據光線需要調整補光燈和紫光燈亮度。此外，工業相機鏡頭前需加裝濾光鏡，以減少紫光燈的反射所造成的干擾。工業相機連接PC端，根據試驗需要按一定時間間隔自動采集圖像。圖像采集完成后，再利用MATLAB和Photoshop等軟件對圖像進行以下處理：

（1）裁剪

根據試驗要求裁剪圖像，使照片畫幅內有用信息量最大化。

（2）調整參數和重要信息凸顯

由于圖像采集過程中難以直接使相機參數最優化，為了更好地從圖形中獲取信息，后期利用Photoshop和MATLAB對圖像進行統一的參數調整，如亮度、對比度等，并對需要突出的部分進行加強處理，目的是凸顯有用信息。例如使濕潤土體和干燥土體的對比度更明顯等，并不會改變圖像的結構，統一調整保證了每幅圖像的處理過程一致。

1.2 土體凍結鋒面變化追蹤

應用熒光素示蹤技術和圖像處理技術的試驗方法，可有效追蹤到水分的遷移過程。1號試樣采用標準石英砂作為試驗材料，初始含水率6%，在封閉條件下進行單向凍結。首先將熒光素示蹤劑按5 g·L-1融入水中，并將帶有熒光素示蹤劑的水按6%的初始含水率注入土樣中，密封靜置12 h后攪拌均勻，待土樣中水分均勻后，將土分層倒入試樣筒內擊實并插入溫度傳感器，蓋上頂盤，利用與頂盤和底座分別連通上冷浴系統和下冷浴系統，打開溫控箱，對土樣按照設定溫度+5℃進行恒溫處理，土樣內部溫度達到設定值后，再將頂盤溫度設定為-10℃對試樣進行單向凍結，蓋上保溫盒，同時開啟紫光燈及圖像采集裝置，對試樣自動采集圖像，之后利用MATLAB和Photoshop對獲得的圖像進行處理。

試驗過程中凍結鋒面的變化過程如圖4所示。

圖4 凍結鋒面變化Fig.4 Variation of the freezing front

由圖4可見，隨著頂盤溫度的向下傳遞，試樣的凍結深度越來越深，且隨著凍深的增加，凍結鋒面向下遷移，利用熒光素示蹤劑的顯色技術，可以清晰地追蹤到凍結鋒面的演變過程。在凍結試驗過程中，凍結區和未凍區顏色不同，因此熒光素示蹤劑可以用于區分凍結區和未凍區的土樣。以上試驗結果表明，熒光素示蹤劑可以用于凍結過程中水分遷移追蹤研究。

在封閉環境試驗中，熒光素示蹤劑隨初始含水率拌入土體中，隨著自上而下的單向凍結，凍結區的熒光素在紫光燈下不再顯色。用這種方法，可以實時追蹤到凍結鋒面的遷移過程。在開放環境試驗中，土中不再摻入熒光素示蹤劑，而是將示蹤劑摻入馬氏補水瓶中。馬氏補水瓶重點模擬的是外界水的供給，隨著外界水進入土體中，有液態水經過的地方在紫光燈的作用下示蹤劑會有明顯反光。因此，用這種方法可以追蹤到外界液態水的遷移過程。

2 試驗裝置系統

2.1 常規水分遷移試驗裝置

目前國內外關于土體凍結過程水汽遷移的試驗研究相對較少，試驗設備大多采用傳統水分遷移試驗裝置。傳統試驗裝置系統由試樣筒、頂盤、底座、馬氏瓶以及冷浴機組成。該裝置能夠對土體進行常規的凍融試驗，并能夠實現溫度、變形等數據的實時監測，在研究土體凍脹規律試驗中起到了重要的作用。

雖然該裝置在水分遷移試驗中具有一定的實用性，但若要深入研究土體在凍融過程中的水汽遷移規律，實時追蹤凍融過程中水分遷移的過程，此裝置適用較差。傳統凍脹試驗裝置提供了一個可承載土體的容器、可實現溫度控制的冷浴機以及可模擬外界水供給的補水裝置，利用保溫棉裹住整個試樣，使其在凍結過程中隔絕外界溫度，而無法提供一個可視化的環境，讓研究人員追蹤到土體凍融的實時過程。同時，傳統凍脹試驗裝置無法區分外界水的相態，因此難以單獨研究氣態水遷移的機制。

2.2 基于熒光素和圖像追蹤技術的土體水汽遷移量測裝置

基于熒光素和圖像追蹤技術的土體水汽遷移量測裝置，主要包括雙層中空疊環型有機玻璃筒、保溫箱、液態水隔離裝置、圖像采集系統、馬氏瓶補水裝置、溫控裝置等。圖5為裝置示意圖。

2.2.1 雙層中空疊環型有機玻璃筒

傳統的凍脹試驗采用普通有機玻璃筒，一方面，由于筒壁較薄且隔熱性差，為了減小外界溫度對土樣凍融的影響，只能在筒壁外圍用保溫棉將其包裹住，該方法繁瑣不便于操作，且不能保證每次試驗所隔絕的熱量一致，而且還無法滿足可視化的要求。另一方面，由于這種筒是一個整體，所以在土樣進行凍結的過程中，筒壁會對土體的豎向凍脹產生一定的限制，使試驗誤差較大。

本文所提出的雙層中空疊環形有機玻璃筒，采用雙層中空有機玻璃的結構，能夠在不裹保溫棉的同時隔絕環境溫度，實現可視化。該試樣筒還采用疊環形結構，由若干個小圓柱疊加組成，接觸良好，且由于試驗筒中為含水率較低的非飽和土，存在空氣壓力，因此密封性較好。在試驗開始前進行了密封性測試，可保證試驗過程中無水分流失。因此，在凍土發生凍脹的同時，每一個小圓柱會根據凍脹力的不同產生不同的相對位移，減小筒壁摩擦力對土體豎向凍脹的限制，進一步減小試驗誤差，使試驗條件控制更加精準。結構示意圖見圖6。

2.2.2 保溫箱

利用保溫板制成一個箱體結構，罩住試樣筒，進一步加強保溫，保溫箱的其中一側使用雙層真空有機玻璃板代替，以實現可視化功能。同時，保溫箱的設置有效地消除了外界光對試樣圖像采集的影響，使試樣光線處于合適且均勻的狀態。

2.2.3 液態水隔離裝置

為了單獨研究氣態水在水分遷移中的影響，本文在上述試驗裝置的基礎上增加了液態水隔離裝置，如圖7所示，裝置包括與透明樣筒的內壁密封相連的套環，和安裝于所述套環上且均勻設有若干個小孔的隔水板，隔水板小孔的直徑小于等于1 mm。

圖5 基于追蹤劑示蹤技術的土體水汽遷移量測裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of the soil water vapor migration measurement device based on tracer technology

圖6 雙層中空疊環型有機玻璃筒結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of the double-layer hollow stacked polymethyl methacrylate cylinders

采用液態水隔離裝置，空心套環保證外界水和土樣不直接接觸，可隔絕液態水，而氣態水可通過多孔隔水板進入土體。因此，這種裝置可以用來研究各種土質氣態水遷移的存在性，以及各種條件下氣態水遷移所占比重。液態水隔離裝置是獨立結構，因此是否設置隔斷層、設置位置和數量都可以根據試驗方案自行安排，具有較強靈活性，能夠滿足不同的試驗需求。利用氣態水遷移所到位置土體顏色變深的規律，使氣態水的遷移過程、路徑、速率能夠被記錄下來，從而實現氣態水遷移的動態追蹤；采用示蹤劑標記外界液態水，由于熒光素顯色不因濃度變化或者量的變化而改變，因此水分遷移過程中，有熒光素標記的即為液態水的遷移，沒有熒光素標記且土體顏色隨遷移過程變深的即為氣態水的遷移，從而能夠區分遷移過程中的液態水和氣態水。

圖7 隔水板Fig.7 The water separation

3 土體水汽混合遷移與氣態水遷移過程分析

3.1 土體水汽混合遷移追蹤試驗

2號試樣采用AB填料作為試驗材料，在開放條件下進行單向凍結。烘干試樣，控制初始含水率近似為0，分層擊實填入試樣筒。后續準備過程與1號試樣相同，不設置隔水層。頂盤溫度-10℃，底盤溫度+5℃，環境溫度+5℃。開放條件下，設置馬氏瓶模擬外界補水，熒光素溶液放入馬氏瓶中標記外界水。

2號試樣利用熒光素示蹤技術可以實時追蹤到外界液態水的遷移路徑和遷移速率，如圖8所示。

圖8 外界液態水遷移過程圖像Fig.8 Images showing the external liquid water migration

圖8 中綠色反光為外界液態水遷移過程，可以看出，在這組試驗中，外界液態水只能遷移到8 cm左右高度便基本穩定，說明外界液態水對AB填料的影響范圍很有限，由圖可見，熒光素以上部分土體顏色較深，這是由于氣態水遷移并冷凝成液態水所致。而圖中標注白線的位置為土體的濕潤鋒面，即干燥土體與濕潤土體分界線。由圖8可見，在粗粒土中，氣態水遷移比液態水水遷移的影響范圍更大。

圖9 2號試樣試驗最終時刻含水率分布Fig.9 Water content profile of the Specimen 2 at the end of the test

圖9 為2號試樣最終時刻含水率分布圖。試驗結束后，2號試樣中含水率明顯增大，而2號試樣的初始含水率近似為0，因此可排除內部水分遷移的可能性，該試樣中水分的增加主要是由外界氣態水遷移所致，也就是說，當含水率為0時，AB填料中確實存在明顯的氣態水遷移現象。

3.2 土體氣態水遷移追蹤試驗

3號試樣同樣采用AB填料作為試驗材料，初始含水率控制、制樣及試驗過程同2號試樣，不同的是在試樣底層設置隔斷層，隔絕外界液態水，只允許外界氣態水通過。頂盤溫度-10℃，底盤溫度+5℃，環境溫度+5℃。

圖10 為3號試樣的試驗圖像。

圖10 氣態水遷移過程圖像Fig.10 Images showing the vapor migration

3號試樣和2號試樣在凍結時能觀察到氣態水遷移到的區域有顏色加深的現象，這是因為這兩組試樣初始含水率均近似為0，氣態水液化成液態水，干土變為濕土，所以顏色會加深。這也證明了氣態水遷移的存在性。

圖11 2號和3號試樣試驗最終時刻含水率分布Fig.11 Water content profiles of Specimens 2 and 3 at the end of the test

由圖11可見，各點處含水量均明顯增大，無論是水汽混合遷移還是氣態水遷移，都會明顯增加土中的含水量。根據溫度傳感器實測數據，結合拆樣時試樣凍結位置確定凍結鋒面，凍結鋒面位置含水率增大較多。由圖中液態水遷移位置可見，熒光素示蹤劑最終達到的高度是距離試樣底端80 mm的位置，這說明氣態水遷移有一定的影響范圍，且僅存在于試樣下半部分，而試樣上半部分的水分重分布，主要由氣態水遷移所致。

在此認為2號和3號補水量的差值為試樣液態水遷移量。圖12為2號和3號兩個試樣補水量隨時間的變化，從此圖可知，整個水分遷移過程中，外界補水中氣態水遷移比重較大。2號試樣初始的水汽混合遷移以氣態水為主，遷移速率較快，4 h后，液態水遷移量增加。

圖12 2號和3號試樣補水量隨時間變化Fig.12 Water replenishment changing with time of Specimens 2 and 3

4 結論

本文在傳統凍脹試驗裝置基礎上對裝置進行開發創新，結合示蹤劑追蹤技術和圖像處理技術提出了基于該裝置系統的試驗方法，并建立了基于熒光素示蹤的水汽遷移量測裝置系統，開展了試驗方法和裝置系統的驗證性試驗，取得了以下成果與結論：

（1）開發的裝置系統主要包括雙層中空疊環型有機玻璃筒、保溫箱、液態水隔離裝置、圖像采集裝置系統等。該裝置系統能夠在水分遷移相關研究中發揮較大的優勢，結合示蹤劑追蹤技術和圖像處理技術，能夠滿足現階段水分遷移及其他凍脹相關試驗研究的要求。

（2）提出的試驗方法主要包括利用熒光素示蹤劑在不同條件下有不同顯色的特性對液態水進行追蹤，從而能夠追蹤到凍結鋒面的演變過程和外界水的遷移規律。利用圖像處理的技術自動采集圖像，并利用圖像處理手段發掘圖像中更多的有用信息。利用隔斷層分別研究液態水遷移和水汽混合遷移對水分重分布的影響，進一步揭示不同土質凍融過程中水分遷移的機制。

（3）基于建立的裝置系統，研究了土體在凍結過程中的凍結鋒面的遷移過程和外界水的補給過程，驗證了氣態水遷移在粗粒土中的存在性。