基于低溫土三軸核磁系統(tǒng)的軟土水分遷移演化表征

在現(xiàn)代巖土工程中，單純的靜力分析已無(wú)法滿足需求。隨著極端環(huán)境（如凍土區(qū)、高寒地區(qū)）和復(fù)雜工程（如能源開發(fā)、地質(zhì)災(zāi)害治理）的發(fā)展，水分在受力狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)行為成為了關(guān)鍵制約因素。

在寒冷地區(qū)，水分結(jié)冰膨脹是導(dǎo)致路基凍脹和凍融破壞的主要原因，研究動(dòng)載或靜載作用下水分如何向凍結(jié)前沿遷移，對(duì)于預(yù)測(cè)冰楔生長(zhǎng)至關(guān)重要。重載鐵路、高速公路上，列車荷載會(huì)改變土體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而影響水分的滲透路徑，研究表明，動(dòng)應(yīng)力會(huì)加速水分向上遷移，導(dǎo)致翻漿冒泥等病害。在頁(yè)巖氣開采或地下核廢料處置中，注入流體的壓力變化會(huì)引發(fā)復(fù)雜的滲流-應(yīng)力耦合，了解水分及流體在高壓下的遷移規(guī)律，直接關(guān)系到井壁穩(wěn)定性與污染物擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)。

傳統(tǒng)土三軸視角專注于應(yīng)力-應(yīng)變曲線、峰值強(qiáng)度等宏觀參數(shù)，無(wú)法直接觀測(cè)水分是如何在剪切作用下集中，又是如何隨壓力梯度流動(dòng)的。將土三軸與低場(chǎng)核磁水分監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合，解決了傳統(tǒng)方法中“只能測(cè)宏觀結(jié)果，無(wú)法解釋內(nèi)部過(guò)程”的痛點(diǎn)，是力學(xué)手段與物理場(chǎng)探測(cè)技術(shù)的深度融合的前沿科研體現(xiàn)。它不僅告訴我們“土體能承受多大的力”，更揭示了“在受力的過(guò)程中，水是怎么跑的、孔隙是怎么發(fā)育的”。這對(duì)于解決凍土路基失穩(wěn)、鐵路翻漿冒泥以及非常規(guī)油氣開采中的井壁垮塌問(wèn)題，具有不可替代的理論支撐作用。

基于低溫土三軸核磁系統(tǒng)的軟土水分遷移演化表征案例^[1]：

實(shí)驗(yàn)材料與準(zhǔn)備：

樣品來(lái)源：選用了兩種典型的軟土—淤泥質(zhì)黏土和砂質(zhì)粉土。

樣品規(guī)格：圓柱體尺寸：直徑39.1 mm × 高度 80 mm 。

圖一軟土制成的測(cè)試樣品

設(shè)備：豎放低場(chǎng)核磁共振設(shè)備

圖二 核磁設(shè)備MacroMR12-150V-I

實(shí)驗(yàn)方案

裝樣：首先，利用滲流系統(tǒng)排除管路中的空氣，確保無(wú)氣泡干擾。隨后，在探頭線圈基座上依次放置無(wú)核磁信號(hào)的透水石、濾紙、土樣、透水石和加載帽，并用乳膠膜密封。

管路連接：將三軸夾持器外殼安裝好，并分別連接軸向壓力、圍壓、滲流及循環(huán)流體的進(jìn)出口管路。

參數(shù)設(shè)置與測(cè)試：

1）初始狀態(tài)穩(wěn)定：在凍結(jié)前，先對(duì)試樣進(jìn)行滲流，直至其內(nèi)部滲流通道達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并采集此狀態(tài)下的初始核磁共振信號(hào)。

2）凍結(jié)-滲流耦合測(cè)試：設(shè)置圍壓為70 kPa，軸壓為100 kPa，模擬實(shí)際地層應(yīng)力。開啟低溫循環(huán)，將凍結(jié)溫度設(shè)定為-30°C（梯度降溫），并施加0.5 ml/min的滲流邊界條件。在此過(guò)程中，系統(tǒng)持續(xù)采集T?譜和MRI圖像，以監(jiān)測(cè)水分遷移和滲流通道的演化。

3）壓力融化測(cè)試：待試樣在-30°C下凍結(jié)穩(wěn)定后，保持溫度不變，分級(jí)增加圍壓和軸壓（例如，軸壓/圍壓分別設(shè)置為100 kPa/200 kPa、300 kPa/500 kPa、600 kPa/1000 kPa），并采集相應(yīng)壓力下的T?譜數(shù)據(jù)，以分析壓力融化過(guò)程中冰-水相變及孔隙結(jié)構(gòu)的變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論與分析：

上圖展示了兩種人工凍結(jié)軟土（黏土、沙質(zhì)粉土）在低溫凍結(jié)狀態(tài)下的核磁共振（NMR）T?譜。其孔隙結(jié)構(gòu)變化機(jī)制如下：

1）大孔隙消失：自由水主要存儲(chǔ)于大孔隙中，當(dāng)溫度降至凍結(jié)點(diǎn)（如黏土約-1℃ ），大孔隙內(nèi)的水迅速凍結(jié)，導(dǎo)致其信號(hào)消失。

2）微孔主導(dǎo)：剩余主峰代表微孔中的結(jié)合水，其比例隨溫度降低而增加。以黏土為例，在-1℃至-30℃的凍結(jié)過(guò)程中，微孔數(shù)量較室溫增加5.9%~6.0%。

3）滲流-凍結(jié)耦合效應(yīng)：滲流沖刷破壞大孔隙結(jié)構(gòu)，使其分裂為微孔；同時(shí)凍結(jié)作用進(jìn)一步促使大顆粒凍脹破裂，加劇微孔數(shù)量增長(zhǎng)（砂質(zhì)粉土在-30℃時(shí)大孔減少91.1%）

上圖展示了人工凍結(jié)軟土（黏土與砂質(zhì)粉土）通過(guò)低溫三軸滲流MRI系統(tǒng)，在滲流邊界條件下模擬實(shí)際工程環(huán)境，并施加溫度梯度（從室溫降至-30 ℃ ）耦合作用下的孔隙結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演變。有以下分析結(jié)論：

1）孔隙結(jié)構(gòu)變化特征：

黏土：滲流作用初期（未凍結(jié)時(shí)），大孔隙比例增加（微孔比例下降），形成非均勻滲流通道；凍結(jié)后（如-1℃至-30℃），大孔隙信號(hào)完全消失，微孔比例顯著上升（增加5.9%~6.0%），最終微孔占比達(dá)100%（圖五）。

砂質(zhì)粉土：滲流作用形成均勻滲流通道，但凍結(jié)后大孔隙減少91.1%，微孔比例同步增加（-30℃時(shí)幾乎完全凍結(jié)）（圖六）。

2）機(jī)制解析：

滲流主導(dǎo)階段：水流沖刷導(dǎo)致黏土大孔隙擴(kuò)張（顆粒遷移），砂質(zhì)粉土因高滲透性形成均勻通道。

凍結(jié)主導(dǎo)階段：低溫使大孔隙中的自由水凍結(jié)，NMR信號(hào)消失（對(duì)應(yīng)T?譜峰衰減）；未凍結(jié)水向微孔遷移，結(jié)合凍脹破裂效應(yīng)（冰晶擠壓使大顆粒分裂），進(jìn)一步增加微孔數(shù)量。

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參考文獻(xiàn)：

[1] Zhou J, Zhou H, Ban C, et al. Evolution characterization of moisture migration and pressure-melting of artificially frozen soft soil based on low-temperature triaxial seepage MRI system[J]. Cold Regions Science and Technology, 2025, 237