前沿应用|基于低场核磁技术的非饱和土基质吸力研究

图1 不同基质吸力下的核磁共振T?弛豫曲线

1） 总体趋势与排水行为：对于所有土壤类型，随着基质吸力增加，T?曲线的峰值逐渐降低，且峰值对应的T?值向左移动（即减小）。这表明土壤中的水含量减少，并且水分从较大的孔隙中被排出。而最小T?值相对恒定，表明含有结合水的孔隙结构在干燥过程中保持相对稳定。

2） 曲线形态与孔隙结构：三种土壤的T?曲线大致呈单峰形态，表明其孔隙结构相对简单，这有助于区分土壤中不同形式的水。

3） 积分面积变化：随着基质吸力增加，T?曲线下的积分面积逐渐减小，这直接对应于土壤含水量的减少。对于高岭土，积分面积在0-130 kPa吸力范围内下降最快；对于碳酸钙废土，在0-380 kPa范围内下降最快；对于膨胀土，则在0-50 kPa范围内下降最快。

4） 土壤间差异：不同土壤的T?曲线变化特征存在差异，这主要归因于颗粒尺寸分布、初始含水量、干密度和矿物成分的不同所导致的孔隙结构多样性。例如，膨胀土的T?值主要分布在0.04至10 ms之间，而高岭土的分布范围更宽0.1至85 ms。

2.通过弛豫曲线，可以在脱水过程中、孔隙水排出的动态模式下进一步划分孔径分布，以及不同基质吸力下的水分组分分布（以高岭土试样为例）。

图2 高岭土土样中的水形态分类图

图中将孔隙结构划分为三个区域：毛细作用区、水膜吸附区和强吸附区，分别对应自由水、弱结合水和强结合水。

1） 自由水：图中对比了饱和状态（0 kPa吸力）与临界基质吸力状态（例如高岭土为350 kPa）下的两条累积曲线。两条曲线之间的面积，代表了在吸力从0 kPa增加到临界值的过程中被排出的水分，这部分被定义为自由水。

2） 强结合水：所有不同吸力下的曲线都会汇聚于一个不变的点，该点所对应的T?值以下的区域这部分不被排出的水被定义为强结合水。

3） 弱结合水：介于自由水区域和强结合水区域之间的部分，则对应弱结合水。这部分水会随着吸力超过临界值后继续被缓慢排出。

低场核磁共振技术能够无损、连续地检测非饱和土在不同基质吸力下的孔隙水分布，为定量分析自由水与结合水的动态变化提供了关键实验手段，对微观动态流动规律的研究提供有力支持。