前沿應(yīng)用|基于低場(chǎng)核磁技術(shù)的非飽和土基質(zhì)吸力研究

非飽和土廣泛分布于地殼表層，是眾多巖土工程（如邊坡、路基、堤壩）和農(nóng)業(yè)環(huán)境領(lǐng)域的直接研究對(duì)象。其力學(xué)與水力性質(zhì)的核心控制因素之一是基質(zhì)吸力，即土中水相與氣相之間的壓力差?；|(zhì)吸力直接影響土體的強(qiáng)度、變形和滲透特性，進(jìn)而決定了工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

土壤-水特征曲線是描述含水量與基質(zhì)吸力關(guān)系的關(guān)鍵曲線，對(duì)于非飽和土理論和工程應(yīng)用至關(guān)重要。由于含水量顯著影響非飽和土的強(qiáng)度，因此需要從實(shí)驗(yàn)上研究水分在土壤基質(zhì)內(nèi)的分布。然而，盡管關(guān)于SWCC的研究眾多，但很少有研究探索支撐該曲線的水分分布特征。具體來(lái)說(shuō)，在不同基質(zhì)吸力下，保留在不同半徑孔隙中的水對(duì)吸力的貢獻(xiàn)不同，但孔隙水的組成、分布模式以及殘余水的相對(duì)含量仍不清楚。

基于低場(chǎng)核磁技術(shù)，可以探索不同基質(zhì)吸力下非飽和土的孔隙水分布特征。這有助于闡明在排水過(guò)程中，隨著基質(zhì)吸力增加，水分如何從不同尺寸的孔隙中被排出，從而揭示水分分布和排水行為的動(dòng)態(tài)變化?？梢詾榻⒒诳紫端植嫉姆秋柡屯亮W(xué)模型提供關(guān)鍵見(jiàn)解和參考數(shù)據(jù)。

科研案例：Characterization of pore water distribution in unsaturated soils during drying process with NMR and soil-water characteristic curves ^[1]：

樣品信息：

膨脹土、高嶺土和碳酸鈣廢土。

樣品制備：

根據(jù)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果和路基壓實(shí)考慮，膨脹土、高嶺土和碳酸鈣廢土試樣的初始含水量分別設(shè)定為17.68%、17.50%和8.00%，干密度分別設(shè)定為1.40 g/cm3、1.61 g/cm3和1.80 g/cm3。試樣采用聚四氟乙烯環(huán)刀制備，分五層壓實(shí)，形成直徑61.8 mm、高20 mm的圓柱。

實(shí)驗(yàn)方案：

使用低場(chǎng)核磁檢測(cè)殘余孔隙水（型號(hào)：MacroMR12-110H-I），使用一維應(yīng)力相關(guān)土壤水特征曲線（SWCC）壓力板裝置，施加基質(zhì)吸力。

1）首先將試樣真空飽和。

2）然后在每一級(jí)預(yù)定的基質(zhì)吸力下，讓試樣在壓力板裝置中達(dá)到平衡（通常需要3至5天）。

3）平衡后，取出試樣快速稱重。

4）稱重完成后，立即進(jìn)行低場(chǎng)核磁測(cè)試。

5）測(cè)試完成后，將試樣放回壓力板裝置中，再施加下一級(jí)吸力。重復(fù)稱重、核磁測(cè)試，如此重復(fù)，直到收集到所有目標(biāo)吸力下的T?曲線和SWCC曲線。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

1. 三種土壤（高嶺土、碳酸鈣廢土、膨脹土）在不同基質(zhì)吸力下的核磁共振T?弛豫曲線，提供了基于核磁共振技術(shù)的排水機(jī)理研究。分析如下：

圖1 不同基質(zhì)吸力下的核磁共振T?弛豫曲線

總體趨勢(shì)與排水行為：對(duì)于所有土壤類型，隨著基質(zhì)吸力增加，T?曲線的峰值逐漸降低，且峰值對(duì)應(yīng)的T?值向左移動(dòng)（即減?。?。這表明土壤中的水含量減少，并且水分從較大的孔隙中被排出。而最小T?值相對(duì)恒定，表明含有結(jié)合水的孔隙結(jié)構(gòu)在干燥過(guò)程中保持相對(duì)穩(wěn)定。

曲線形態(tài)與孔隙結(jié)構(gòu)：三種土壤的T?曲線大致呈單峰形態(tài)，表明其孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，這有助于區(qū)分土壤中不同形式的水。

積分面積變化：隨著基質(zhì)吸力增加，T?曲線下的積分面積逐漸減小，這直接對(duì)應(yīng)于土壤含水量的減少。對(duì)于高嶺土，積分面積在0-130 kPa吸力范圍內(nèi)下降最快；對(duì)于碳酸鈣廢土，在0-380 kPa范圍內(nèi)下降最快；對(duì)于膨脹土，則在0-50 kPa范圍內(nèi)下降最快。

土壤間差異：不同土壤的T?曲線變化特征存在差異，這主要?dú)w因于顆粒尺寸分布、初始含水量、干密度和礦物成分的不同所導(dǎo)致的孔隙結(jié)構(gòu)多樣性。例如，膨脹土的T?值主要分布在0.04至10 ms之間，而高嶺土的分布范圍更寬0.1至85 ms。

通過(guò)弛豫曲線，可以在脫水過(guò)程中、孔隙水排出的動(dòng)態(tài)模式下進(jìn)一步劃分孔徑分布，以及不同基質(zhì)吸力下的水分組分分布（以高嶺土試樣為例）。

圖2 高嶺土土樣中的水形態(tài)分類圖

2、圖中將孔隙結(jié)構(gòu)劃分為三個(gè)區(qū)域：毛細(xì)作用區(qū)、水膜吸附區(qū)和強(qiáng)吸附區(qū)，分別對(duì)應(yīng)自由水、弱結(jié)合水和強(qiáng)結(jié)合水。

1）自由水：圖中對(duì)比了飽和狀態(tài)（0 kPa吸力）與臨界基質(zhì)吸力狀態(tài)（例如高嶺土為350 kPa）下的兩條累積曲線。兩條曲線之間的面積，代表了在吸力從0 kPa增加到臨界值的過(guò)程中被排出的水分，這部分被定義為自由水。

2）強(qiáng)結(jié)合水：所有不同吸力下的曲線都會(huì)匯聚于一個(gè)不變的點(diǎn)，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的T?值以下的區(qū)域這部分不被排出的水被定義為強(qiáng)結(jié)合水。

3）弱結(jié)合水：介于自由水區(qū)域和強(qiáng)結(jié)合水區(qū)域之間的部分，則對(duì)應(yīng)弱結(jié)合水。這部分水會(huì)隨著吸力超過(guò)臨界值后繼續(xù)被緩慢排出。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)能夠無(wú)損、連續(xù)地檢測(cè)非飽和土在不同基質(zhì)吸力下的孔隙水分布，為定量分析自由水與結(jié)合水的動(dòng)態(tài)變化提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)微觀動(dòng)態(tài)流動(dòng)規(guī)律的研究提供有力支持。

推薦設(shè)備：

大口徑核磁共振成像分析儀

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[1] Lyu H, Fan L, Gu J, et al. Characterization of pore water distribution in unsaturated soils during drying process with NMR and soil-water characteristic curves[J]. Transportation Geotechnics, 2024, 49(000).