武汉岩土所核磁共振技术探测方法与应用研究获进展

　　岩土介质作为一种工程材料和工程环境，其中水分的物理状态和相态变化对岩土体的工程力学性质、工程的施工方法及安全稳定等至关重要。特别是在冻土、含水合物土和非饱和土等多场多相耦合的复杂岩土工程问题中，内部水分的含量，迁移与重分布、相变等一系列物理状态变化会影响到土的工程力学特性。例如降雨导致的滑坡，冻胀引起的路基开裂，海底天然气水合物分解引起海底滑坡，造成一系列海上设施的破坏等。这类问题是岩土工程中的难题，尽管有许多学者就这方面问题进行理论和实验方面的研究和讨论，但得到的一些模型与规律往往带有经验性，适用范围很局限，不能满足工程界的普遍需要。因此，为了确保工程项目的安全及稳定，岩土介质中有关水分迁移，重分布及相变现象的微观过程与机理的研究十分必要。

　　核磁共振技术是一项研究单位体积中质子（即氢核）含量与分布的探测技术。核磁共振技术中的核磁共振谱峰的面积正比于相应质子数，可用于定量分析。氢核横向弛豫时间(T₂/ms）是质子在射频激发后其相位变化、能量复原所需时间的表征，T₂能反映质子所处的环境，因此核磁共振可用于测定物质的微观结构。水是一种含氢量较高的物质，且广泛存在于自然界中，在核磁共振中具有很强的信号及敏感性。鉴于水的这一特性，核磁共振已应用于医学、地质找水、食品和生物分析等领域，核磁共振在这些领域的应用引起众多不同领域学者的注意。中国科学院武汉岩土力学研究所研究员韦昌富率领的科研团队，近年基于这一想法将其应用于涉及水分含量、分布、迁移与相变问题的岩土现象，如冻土未冻水含量、含水合物土相平衡条件和非饱和土毛细滞回的分析，在以下几方面取得系列成果：（1）利用核磁共振测得不用土体在各级吸力下的T₂时间分布曲线，定性的探讨不同吸力下试样中的水分分布，从微观上分析干密度、初始含水量和土样组分对试样脱湿过程的影响；（2）通过联合联合水力测试系统与核磁共振测试系统，讨论土体在一个水力循环过程中孔隙水分布与迁移的微细观过程。基于核磁共振技术提出快速准确的测试土体孔隙分布的方法，并将实验结果与传统压汞法的结果作对比。结果表明，该方法孔径测试范围比压汞法大，尤其是小孔径范围的测试具有更大优势，同时该方法是无损的，避免了测试过程中由于对试样结构的损坏而导致测试结果的失真；（3）结合毛细水与吸附水在土体中作用的吸力范围、冰点值及含量随温度变化的差异，提出了一种基于核磁共振技术的快速与无损测试土体吸附水含量的方法；（4）利用核磁共振技术获得冻土中未冻水含量，发现冻融循环过程中未冻水含量具有明显的滞回性，并发现未冻水含量的滞回圈可分为三个阶段；（5）利用低场核磁共振技术研究粉土中CO₂水合物的分解过程，核磁共振实验结果表明，在水合物融化过程中小孔隙中水合物先融化，随着温度的进一步，大孔隙中水合物开始融化。根据核磁总信号与气体压力随温度的变化计算得出粉土中二氧化碳水合物的饱和度S_h，并进一步得到土体中水合物P-T-S_h相平衡曲线，以及二氧化碳水合物的水合数；(6)利用核磁共振二维谱（T₁-T₂）研究土体冻融循环对土体水分分布与结构的影响。

　　研究工作得到了国家自然科学基金重点项目、面上以及青年基金，中科院知识创新重要方向项目以及岩土力学与工程国家重点实验室的资助，相关研究成果发表在Applied Magnetic Resonance、Cold Regions Science and Technology、Vadose Zone Journal、Journal of Performance of Constructed Facilities、Journal of Engineering Mechanics、《岩土力学》、《物理化学学报》，《岩土工程学报》等期刊上。

基于核磁共振得出的土体孔隙分布与压汞法

土体冻融循环过程中毛细水与吸附水含量的变化

粉土中二氧化碳水合物分解过程不同温度下的T2分布曲线

饱和土体核磁二维谱