随着全球化的深入推进以及极地资源的开发,在全球冻土地区将要进行大量的工程活动。此外,在人工冻结法工程中,通过人工解冻手段对冻结地层融化过程进行干预是解决融沉变形问题的有效途径。微波照射冻土效率高,可用于冻土的快速解冻和辅助开挖。本文研究了微波照射下冻土的融化和软化规律以及冻土软化的微细观机制。研究表明:(1)微波照射85 s后初始温度为-15℃的冻土已完全融化,在微波穿透深度内,冻土内部和表面同步融化;(2)微波照射解冻的热效率远高于传统热传导解冻方法;(3)微波加热过程中冻土的温度变化存在明显的热弛豫阶段;(4)微波加热过程中土体强度快速丧失,微波持续照射30 s后其无侧限抗压强度由1.43 MPa降低至0.05MPa。根据微波照射过程中冻土的核磁共振测试结果,结合上述实验结果我们发现:(1)微波照射下冻土能够快速融化的根本原因是含有一定量的未冻水,未冻水吸波后分子热运动增强,温度升高,并向相邻的冰和土颗粒传递热量,导致冰的不断融化及整体温度的升高;(2)微波照射下冻土的融化过程和软化过程受未冻水的含量及类型控制。综上,微波照射是一种有潜力的人工解冻方法,可用于寒区各种工程场景。

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。

通过核磁共振测深(MRS)方法在多年冻土区找水实例的分析、解释,并结合钻孔资料的综合研究,对在多年冻土区利用MRS方法探测地下含水层埋深、厚度及地下水涌水量的计算进行了详细的解析,并取得了良好的应用效果。阐明了该方法在多年冻土区找水具有含水信号反映明显、信噪比高和具唯一性解析结果等的独特技术优势,也指出了该方法在判断含水层岩性、涌水量计算等方面存在的不足,揭示了MRS方法在多年冻土区寻找地下水的良好应用前景,为在多年冻土区寻找地下水提供了一定的借鉴经验。

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.