采用核磁共振的大孔隙残积土水分迁移分析

2022-10-24汤新星李显阙云

福州大学学报（自然科学版） 2022年5期

汤新星，李显，阙云

(福州大学土木工程学院, 福建福州 350108)

0 引言

花岗岩残积土在我国东南地区分布非常广泛，和一般粘性土不同，花岗岩残积土孔隙率较高，具有较多大孔隙，其比例可达2.40%～48.72%[1-2]，大孔隙的存在使得水流能够绕过大部分基质土壤，迅速入渗到土壤深层，形成大孔隙流[3]，进而导致边坡失稳等自然地质危害[4].因此，开展花岗岩残积土的大孔隙流水分迁移机理研究至关重要.

目前对水分迁移的试验方法主要有3种： ① 染色示踪法，如Zhi等[5-6]研究土壤内孔隙流移动路径； ② 时域反射技术 (time domain reflectometry，TDR)，如李萍等[7]研究降雨入渗过程中不同深度黄土的水分迁移规律，芮大虎等[8]探究冻结作用下黏土的水盐迁移； ③ 核磁共振成像技术，如付大其等[9]检测不同气驱压力作用下低渗气层岩石孔隙中可动水的变化情况； Tian等[10]研究非饱和土的水力过程，揭示水力循环过程中孔隙水分迁移的微观机制；孔超等[11-12]研究水稻土和蔬菜地土壤孔隙结构，发现二者在脱水过程中可动水更易失去，随着水稻土转化蔬菜地土壤转变时间增大，土壤水分相态发生明显差异； Conte等[13]发现通过弛豫时间图形状可以反映孔隙水的迁移难度；董均贵等[14]探究不同含水率和干湿循环后土壤孔隙水储存形态变化规律；叶万军等[15]研究冻融循环对黄土土壤孔隙水分含量的影响.

以上3种方法中，染色法中所有染色区域不全是孔隙，易造成结果偏大； TDR技术需要埋设测量装置，埋设较繁琐且人为因素大；核磁共振技术是一种无损探测技术，可在不破坏土体结构的情况下实现土壤水分含量检测[16-17].核磁共振应用目前主要集中在岩石、黄土等，对于具有大孔隙花岗岩残积土，其水分迁移的定量化尚不明确.鉴于此，本研究以核磁共振技术为测试手段，根据计算花岗岩残积土试样T2分布曲线图谱面积，定量分析不同试样内部水分子含量及其所处孔隙大小，进而研究花岗岩残积土大孔隙的水分迁移规律，为边坡失稳、滑坡等自然灾害的防治提供参考.

1 核磁共振技术

现有核磁共振技术主要以氢核作为检测对象，其原因是氢核在围绕外部磁场进动过程中会产生比较强烈的信号，易于被探针检测，且氢核分布较为广泛.

试验采用苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产的AniMR-150型核磁共振分析仪，如图1所示.其主要技术参数为：磁感应强度为(0.5±0.08)T，仪器主频率21.3 MHz，探头线圈直径60 mm，磁体温度通过温度控制系统控制在(32±0.01)℃.

2 试样制备及试验方案

在现场取直径为45 mm、高100 mm原状土柱8个，依次编号为A1、 A2、 A3、 A4、 A5、 A6、 A7、 A8，如图2.为保证重塑土对照组总体孔隙率和初始含水率与原状土一致，根据原状土柱密度及含水率配制(见表1)重塑土B1、 B2、 B3、 B4、 B5、 B6、 B7、 B8.

表1 原状土试样参数表

试验一：入渗试验.

先测定试样A1、 A2、 A3、 A4、 B1、 B2、 B3、 B4其初始含水率，再将其放入渗透装置(如图3所示)，控制定水头为2 cm，入渗时间为15 s，渗透结束后再次对试样进行核磁共振试验，测得其T2时间分布曲线.

试验二：吸湿试验.

先测定试样A5、 A6、 A7、 A8其初始含水率，再将其放入抽真空吸湿饱和装置，控制吸湿时间分别为1、 3、 6、 12、 24、 48、 96、 192 h，每次吸湿完立即进行核磁共振试验，测得其T2时间分布曲线.

试验三：干湿循环试验.

将试样B5、 B6、 B7、 B8放入抽真空饱和装置中进行饱和，然后采用烘干法将试样烘干(如图4所示)，重复上面干湿循环步骤，4个试样干湿循环次数分别为5、 10、 15、 20次.对干湿循环后的试样进行饱和处理，然后进行核磁共振测试，分析干湿循环对土壤内部孔隙结构的影响.

3 大孔隙弛豫时间界定

T2时间分布曲线图中水分横向弛豫时间T2值与其所处土体内部结构直接相关，当假设材料满足快速扩散条件，且土体中孔隙形状为柱形时，存在以下关系[14]即：

(1)

式中：ρ2为横向弛豫率，与土体的物理化学性质有关；R为孔隙半径.

上式表明，土体中水分T2值与孔隙半径成正比，即水分T2值越小，其所处孔隙越小.基于此理论，以饱和重塑土最大横向弛豫时间为分界点，横向弛豫时间大于该分界点的孔隙定义为大孔隙水分子，小于该分界点的孔隙定义为基质孔隙水分子.

氯化铵对酸性溶液中铂具有较强的选择性，氯化铵沉淀法是实现铂与酸性溶液中贱金属分离的主要方法。在贵金属溶液中加入氯化铵，Pt（Ⅳ）与氯化铵生产微溶于水的氯铂酸铵（NH4）2PtCl6黄色沉淀，而其它贱金属仍留在溶液中。反应方程式如下：

为了验证以重塑土最大横向弛豫时间为分界点的可靠性，按照原状土试样重度配置的一个为直径3 cm、高3 cm重塑土试样进行CT扫描.在文献[18-19]研究的基础上，考虑CT扫描图像最低分辨率为0.15 mm，将等效直径大于0.15 mm的孔隙视为大孔隙.重塑土三维重构模型如图5.结果表明重塑土中只有较少孤立孔隙，单个孔隙体积最大值为0.017 3 mm3，总体大孔隙率为0.019%.

表2 重塑土孔隙参数

表2列出了重塑土中最大5个孔隙的参数.从表中可以看出，重塑土中孔隙最大等效直径为0.162 mm，与大孔隙界定值0.15 mm接近，故可近似认为重塑土中不含有大孔隙.取原状土试样周围的扰动土壤，经过室内烘干、过2 mm土壤筛后，根据原状土含水率、重度，配制相同含水率、重度的重塑土试样.将试样置入蒸馏水水中浸泡24 h使其充分饱和，将饱和后的试样放入核磁共振检测仪，测试得其最大横向弛豫时间，并将其定义为横向弛豫时间分界点.各饱和重塑土最大弛豫时间分别见表3，即大孔隙最大弛豫时间.

表3 大孔隙最大弛豫时间

4 试验结果与分析

4.1 入渗试验

采用核磁共振技术测量土壤内部水分含量，通过表3中弛豫时间界定，将入渗过程中样品T2时间分布曲线图分为基质域和大孔隙域，定量研究水分在土壤内部迁移情况.

原状试样和重塑土入渗过程中T2时间分布曲线图分别为图6～7.从图7可以看出，重塑土中只有极少孤立大孔隙存在，水分在进入重塑土时全部进入基质域中，故重塑土最大弛豫时间值随着入渗量增加未出现明显变化，而随着入渗量增加，信号幅值逐步增大，即试样含水率逐步增大.

对比图6和图7可以看出，入渗前(0 s)的初始状态，原状土和重塑土试样T2时间分布曲线图较为相似，其中重塑土T2时间分布曲线有2个波峰，而原状土有3个波峰，但第3个波峰峰值较小.入渗前4个原状土试样的第3波峰峰值均小于5.5，平均值为2.4，表明初始状态下原状土中水分主要分布基质域中.

T2时间分布曲线积分面积(谱面积)能反映土壤内部水分含量，图8为入渗过程中4个试样谱面积变化趋势图.

由图可见，入渗过程中，水分进入基质域和大孔隙域中，基质域、大孔隙域和总谱面积曲线斜率逐渐增大.说明入渗过程中，基质域和大孔隙域均会发生水分迁移，水分入渗速率逐渐增大.

4.2 吸湿试验

图9为吸湿过程中原状土T2时间分布曲线.从图中可以看出，初始状态下的原状土T2时间分布曲线主要有2个峰值，随着吸湿过程的进行，T2时间分布曲线出现第3个峰值，但峰值较小.说明不同于入渗过程中的水分变化，吸湿过程中水分主要进入基质孔隙中，而较少进入大孔隙中，原因在于吸湿过程中主要是基质吸力导致水分逐步上升进入试样中，且吸力大小与毛管直径成反比，即孔隙直径越大，吸力越小.因此在吸水试验过程中基质孔隙吸力大于大孔隙，即水分较多进入基质孔隙中.同时随着时间间隔增加，T2时间分布曲线中信号幅值的增幅并未出现显著增长，由于土壤中基质吸力大小与土壤含水率成反比，随着吸湿过程的进行，土壤中含水率逐步增加，基质吸力逐步降低，即水分迁移速率逐步变慢.

图10为吸湿试验谱面积变化图.由图可见，基质域谱面积变化趋势和总谱面积变化趋势较为接近，随着吸湿时间增加，谱面积逐渐增加，即水分增多，大孔隙域谱面积整体上变化较小.基质吸力的存在，导致大孔隙域中水分含量较少, 谱面积最大值不到250 ms，而基质域中谱面积最大值超过8 000 ms.

4.3 干湿循环试验

图11为干湿循环后重塑土T2时间分布曲线图.由图可见，4个试样在初始情况下，信号幅值全集中于基质域中，经过5次干湿循环后，大孔隙域中出现信号，表明干湿循环后，土壤中出现裂缝，部分基质域中水分进入大孔隙中.从图中可以发现，基质域中幅值峰值出现先减小后增大再减小的情况，说明在干湿循环过程中，试样内部先出现微小裂缝，此时检测出的信号幅值包含在基质域中，当再经过干湿循环后，微小裂缝之间互相贯通、变大，逐步向大孔隙发展，因此出现基质域中的信号幅值出现波动的现象.大孔隙域中的信号幅值峰值随着干湿循环次数增大而增大，说明随着干湿循环次数增加，大孔隙率也逐步增加.

将图11中4个试样不同域谱面积绘制成表4.由表可见，随着干湿循环次数增加，4个试样基质域谱面积出现上下波动，大孔隙域谱面积逐步增加.原因在于干湿循环过程中试样出现了微孔隙，其大小介于大孔隙和基质域的粒间孔隙之间，由于微孔隙的存在，增大了基质域含水率，而随着微孔隙向大孔隙发展，基质域含水率又出现降低，在干湿循环过程中基质域含水率增加与降低的交替出现一直持续，因而导致基质域谱面积出现上下波动.