基于低温土三轴核磁系统的软土水分迁移演化表征

在现代岩土工程中，单纯的静力分析已无法满足需求。随着极端环境（如冻土区、高寒地区）和复杂工程（如能源开发、地质灾害治理）的发展，水分在受力状态下的动态行为成为了关键制约因素。

在寒冷地区，水分结冰膨胀是导致路基冻胀和冻融破坏的主要原因，研究动载或静载作用下水分如何向冻结前沿迁移，对于预测冰楔生长至关重要。重载铁路、高速公路上，列车荷载会改变土体内部的应力状态，进而影响水分的渗透路径，研究表明，动应力会加速水分向上迁移，导致翻浆冒泥等病害。在页岩气开采或地下核废料处置中，注入流体的压力变化会引发复杂的渗流-应力耦合，了解水分及流体在高压下的迁移规律，直接关系到井壁稳定性与污染物扩散风险。

传统土三轴视角专注于应力-应变曲线、峰值强度等宏观参数，无法直接观测水分是如何在剪切作用下集中，又是如何随压力梯度流动的。将土三轴与低场核磁水分监测技术结合，解决了传统方法中“只能测宏观结果，无法解释内部过程”的痛点，是力学手段与物理场探测技术的深度融合的前沿科研体现。它不仅告诉我们“土体能承受多大的力”，更揭示了“在受力的过程中，水是怎么跑的、孔隙是怎么发育的”。这对于解决冻土路基失稳、铁路翻浆冒泥以及非常规油气开采中的井壁垮塌问题，具有不可替代的理论支撑作用。

基于低温土三轴核磁系统的软土水分迁移演化表征案例^[1]：

实验材料与准备：

样品来源：选用了两种典型的软土—淤泥质黏土和砂质粉土。

样品规格：圆柱体尺寸：直径39.1 mm × 高度 80 mm 。

图一软土制成的测试样品

设备：竖放低场核磁共振设备

图二 核磁设备MacroMR12-150V-I

实验方案

装样：首先，利用渗流系统排除管路中的空气，确保无气泡干扰。随后，在探头线圈基座上依次放置无核磁信号的透水石、滤纸、土样、透水石和加载帽，并用乳胶膜密封。

管路连接：将三轴夹持器外壳安装好，并分别连接轴向压力、围压、渗流及循环流体的进出口管路。

参数设置与测试：

1）初始状态稳定：在冻结前，先对试样进行渗流，直至其内部渗流通道达到稳定状态，并采集此状态下的初始核磁共振信号。

2）冻结-渗流耦合测试：设置围压为70 kPa，轴压为100 kPa，模拟实际地层应力。开启低温循环，将冻结温度设定为-30°C（梯度降温），并施加0.5 ml/min的渗流边界条件。在此过程中，系统持续采集T₂谱和MRI图像，以监测水分迁移和渗流通道的演化。

3）压力融化测试：待试样在-30°C下冻结稳定后，保持温度不变，分级增加围压和轴压（例如，轴压/围压分别设置为100 kPa/200 kPa、300 kPa/500 kPa、600 kPa/1000 kPa），并采集相应压力下的T₂谱数据，以分析压力融化过程中冰-水相变及孔隙结构的变化。

实验结论与分析：

上图展示了两种人工冻结软土（黏土、沙质粉土）在低温冻结状态下的核磁共振（NMR）T₂谱。其孔隙结构变化机制如下：

1）大孔隙消失：自由水主要存储于大孔隙中，当温度降至冻结点（如黏土约-1℃ ），大孔隙内的水迅速冻结，导致其信号消失。

2）微孔主导：剩余主峰代表微孔中的结合水，其比例随温度降低而增加。以黏土为例，在-1℃至-30℃的冻结过程中，微孔数量较室温增加5.9%~6.0%。

3）渗流-冻结耦合效应：渗流冲刷破坏大孔隙结构，使其分裂为微孔；同时冻结作用进一步促使大颗粒冻胀破裂，加剧微孔数量增长（砂质粉土在-30℃时大孔减少91.1%）

上图展示了人工冻结软土（黏土与砂质粉土）通过低温三轴渗流MRI系统，在渗流边界条件下模拟实际工程环境，并施加温度梯度（从室温降至-30 ℃ ）耦合作用下的孔隙结构动态演变。有以下分析结论：

1）孔隙结构变化特征：

黏土：渗流作用初期（未冻结时），大孔隙比例增加（微孔比例下降），形成非均匀渗流通道；冻结后（如-1℃至-30℃），大孔隙信号完全消失，微孔比例显著上升（增加5.9%~6.0%），最终微孔占比达100%（图五）。

砂质粉土：渗流作用形成均匀渗流通道，但冻结后大孔隙减少91.1%，微孔比例同步增加（-30℃时几乎完全冻结）（图六）。

2）机制解析：

渗流主导阶段：水流冲刷导致黏土大孔隙扩张（颗粒迁移），砂质粉土因高渗透性形成均匀通道。

冻结主导阶段：低温使大孔隙中的自由水冻结，NMR信号消失（对应T₂谱峰衰减）；未冻结水向微孔迁移，结合冻胀破裂效应（冰晶挤压使大颗粒分裂），进一步增加微孔数量。

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参考文献：

[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