针对寒区隧道围岩冻融损伤问题，文章以辽宁某在建隧道为工程背景，采用核磁共振和声波检测技术对不同冻融循环次数后的隧道围岩（砂岩）进行检测试验，同时对检测后的试样还进行了单轴加载试验，分析了冻融作用对隧道围岩加载前后的损伤劣化机制。结果表明：随着冻融循环次数的逐渐增加，试样的T2谱总面积逐渐增大，核磁共振T2谱信号逐渐增强，小孔隙T2谱面积占比逐渐提升，试样的纵波波速逐渐减小，应力-应变曲线的压密阶段和塑性屈服阶段在整个加载曲线中的占比逐渐增大，峰值强度、弹性模量均呈之间递减变化趋势，抗压强度、弹性模量均随T2谱面积的增大逐渐减小，随纵波波速的增大逐渐增大。
研究冻土区天然气水合物核磁共振（NMR）响应特征对冻土层结构划分及水合物储层识别具有重要意义。为此,设计实验研究了四丁基溴化铵（TBAB）水合物形成和分解过程中实验样本的NMR信号变化规律,为天然气水合物研究提供参考。实验数据表明,水合物样本冻融过程中NMR信号横向弛豫（T2）时间谱含三个明显波峰,即主峰、次峰、附峰,分别源于自由水、结合水及水溶有机质中的H核。波峰的分布、幅值、面积及变化规律,可作为研究水合物样本物化态变化过程的依据,尤其是次峰和附峰的显著程度是判断水合物存在及表征其含量的直接证据。将TBAB水合物的分解过程分为分散期、分解期和稳定期三个阶段,推导建立了水合物样本NMR信号与温度、时间的关系式,可作为定量分析水合物含量和存储条件的依据。
λ鉴于毛细理论和薄膜水理论只考虑一种水分迁移机制,难以全面合理揭示土体冻胀机理。根据毛细水和薄膜水在孔隙中的赋存特征,提出以孔径D=0.1μm或横向弛豫时间T2=2.5 ms作为毛细水和薄膜水的判别条件。基于流体动力学和热力学基本原理,分别建立了薄膜水迁移驱动力、广义Clapeyron方程力学和毛细–薄膜水迁移驱动力模型,给出了压力变量和吸力变量之间的换算系数λ;模型分析表明,冻结大孔在弯曲冰–水界面处产生一集中吸力,驱使未冻孔隙中的毛细水和薄膜水向冻结大孔内部迁移;其迁移路径为:未冻孔隙中的毛细水和颗粒表面薄膜水→弯曲冰–水界面→冻结大孔内壁薄膜水。最后,根据粉土在冻结过程中的低场–核磁共振试验,证明了毛细水和薄膜水的分界线,并验证了毛细–薄膜水分迁移模型及迁移路径的正确性。
升温解冻导致冻土–结构相互作用发生劣化,为探究正融过程中冻土–结构相互作用,基于NMR分层测试技术对正融过程中界面未冻水含量进行测试,得到界面温度–未冻水含量变化规律;同时开展不同法向压力下界面剪切试验,得到界面温度–抗剪强度相关关系,从而进一步探究界面温度–未冻水含量–抗剪强度之间的内在联系。结果表明:NMR分层测试T2曲线可从微观尺度对界面融化过程进行表征,即正融过程界面小孔隙冰晶体融化开始,随着融化程度的加深大孔隙的冰也开始融化,最后直至界面处冰完全融化。根据界面温度–未冻水含量–抗剪强度的变化特征可将整个正融过程划分为冻结阶段、相变阶段、融化阶段3个阶段。依据莫尔–库仑破坏准则分析可知,正融过程中界面内摩擦角、黏聚力呈"此消彼长"的变化特征,其中随着解冻程度加深界面内摩擦角呈先减小后增大,而界面黏聚力呈现先增大后相对减小。
冻土是一种特殊的土体,其性质与一般土体有较大差异。冻土中水分的含量与存在形式影响着冻土的各项性能。一直以来,冻土研究都是热点问题,由于试验手段的限制,对于冻土的分析以宏观研究较多。文中利用低场核磁共振孔隙分析仪,通过核磁信号的比值,计算各个温度点下未冻水质量含水率,绘制温度-含水率的函数曲线,结合不同条件试样的孔隙半径分布,揭示孔隙对未冻水含量的影响规律,并且探究不同初始含水率对曲线拐点的影响。试验结果表明,粉土、砂土和黏土土样冻结过程经历3个阶段:第Ⅰ阶段为过冷段,第Ⅱ阶段为迅速下降段,第Ⅲ阶段为稳定阶段;同种土质不同含水率的土样,降温过程发生冻结的拐点温度略有不同,但是差别较小;孔径分布越大,其冻结温度越低;未冻水含量与土体配合比关联较低,较多取决于土体本身的孔隙结构。
离子浓度在一定程度上会引起冻土冻融过程中其未冻水的含量变化,进而影响冻土的核磁共振响应。为了研究冻土冻融过程中离子浓度对其核磁共振响应的影响规律,笔者采用的试验样本是将不同浓度的NaCl溶液与马兰黄土混合,配制成NaCl含量不同、初始含水量相同的各样本,研究其弛豫特性。通过分析不同温度点下各样本的核磁共振响应特征,得到不同离子浓度对冻土核磁共振响应的影响规律。结果表明,核磁共振信号幅值随着离子浓度的增大而增大,但是横向弛豫时间T2不受离子浓度影响;在冻土冻融过程中,冻土中流体受温度和离子结晶物化作用的双重影响,样本的未冻水含量在不同温度区间的变化有所不同,但是在大于5℃和低于-20℃区间内,未冻水含量趋于稳定。
顺磁性物质的磁化率会随着温度的变化而变化,其引起的磁性不均匀对核磁共振信号有一定的影响。当利用NMR（核磁共振）技术研究冻土冻融物性特征时,冻土中所含的顺磁性物质造成的影响不容忽视。结合目前国内外冻土室内物性试验的研究情况,将顺磁性物质Fe2O3与马兰黄土混合,配制成Fe2O3含量不同、初始含水量相同的各样本,研究其弛豫特性。通过分析各样品的核磁共振信号幅值及横向弛豫时间随温度的变化特征,得到顺磁性物质含量对冻土核磁共振信号的影响规律。结果表明,顺磁性物质能够使孔隙介质中的流体弛豫时间显著减小,并在正温区间顺磁性物质的含量与横向弛豫时间满足某种经验关系式;顺磁性物质也使流体的核磁共振信号幅值显著减小,两者间也满足某种经验关系式;同时,在利用NMR技术分析冻土未冻水含量及孔渗结构时,顺磁性物质的存在会给计算结果带来一定的误差。
采用低场核磁共振技术测试了冻融循环过程中不同土质、不同Na Cl离子浓度饱和试样的未冻水含量,结合T2分布曲线从微细观角度分析了冻融过程中未冻水在孔隙赋存分布情况。试验结果表明:冻结过程可分为过冷度段、快速下降段、稳定段3个阶段,而融化过程仅存在稳定段、快速融化段,并不存在与过冷现象对应的过热现象。冻结时大孔隙的水首先冻结,而融化时孔隙水的增加却是从小孔隙开始的,这是由水分热动力学势能的差异导致孔隙水冻结和融化在时间上的有序性。并且分析了冻融循环中土质类型、离子浓度对未冻水含量的影响,以及探讨了冻融过程出现的滞后现象的原因。
为利用核磁共振(NMR)技术更快地测试得到冻土中未冻水的含量,首先对传统的单试样测试方法进行了分析,探究了其实验时间过长的原因.然后,基于传热学中的集总参数法,研究了小体积试样在空气中以自然对流传热为冷却方式的温度变化特征.根据试样温度与时间的对应关系,提出了多试样连续测试法.最后,以一种黏土为例,分别利用多试样连续测试法和单试样测试法测量了土样冻结过程中NMR信号强度随温度变化的关系.实验结果表明:二者的测量结果非常接近,但连续测试法耗费的时间非常少.综合比较两种利用NMR技术所耗费的时间和实验结果的精确程度,多试样连续测试法是可行的.
