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在岩土工程与地质改良领域,土体的注浆改良一直是一项至关重要的技术手段。它通过向土体中注入浆液材料,填充孔隙、胶结土粒,从而提高土体的强度、稳定性和防渗性能,广泛应用于地基加固、隧道工程、边坡治理和矿山回填等场景。然而,注浆过程复杂且效果难以直观评估,传统方法如钻孔取样、压水试验等不仅具有破坏性,且只能提供局部、离散的数据,难以全面反映浆液在土体中的分布状态与固化效果。
在这一背景下,低场核磁共振技术(LF-NMR)作为一种新兴的快速、无损检测方法,正逐渐成为评价注浆改良效果的重要工具。该技术基于原子核在磁场中的共振行为,能够非侵入、高精度地分析土体内部孔隙结构、水分分布与浆液迁移规律,为注浆工艺的优化与质量控制提供了前所-未有的科学依据。
低场核磁共振的基本原理源于物质中氢原子核(质子)在外加磁场下的能级跃迁与弛豫行为。当土体样品处于低场强磁场中,氢核会吸收特定频率的电磁波能量并发生共振,随后在弛豫过程中释放能量。通过检测弛豫时间(T?谱),可以反演出土体中不同尺度孔隙的分布情况以及流体的存在状态。注浆改良的本质在于改变土体的孔隙结构与流体分布,而低场核磁技术恰恰能够捕捉这些微观变化,从而实现对注浆效果的定量化评价。
在土体的注浆改良效果评价中,低场核磁共振技术展现出显著优势。注浆后,浆液填充土体孔隙并逐渐固化,导致原有孔隙中的水被取代或固结。通过对比注浆前后的T?谱分布,可以清晰识别出浆液充填的范围、孔隙率的变化以及浆-土相互作用的效果。此外,低场核磁还能动态监测注浆过程中浆液的渗透路径与固化进程,为注浆参数(如压力、浆液配比和注入速率)的实时调整提供依据。
应用案例:不同温度下多孔介质注浆填充渗流机制表征
1)图一左为岩样,中间为人造裂缝,用于填充注浆材料,图一右为核磁表征的孔径分布。
2)图二得知:不同温度下核磁共振T2谱面积随温度的变大而更加快速的减小,这意味渗透系数随着温度的升高呈现出下降的趋势;同时沟槽中注浆材料在较高的温度(>40℃)下可以获得较短的水化期。
3)最初不同温度下砂岩弛豫分布呈三峰分布(图三a)。随着注浆的继续,T2分布逐渐变化(图三b、c)。随着注入时间从t=30s增加到60s,第二峰几乎与第一峰合并。其中新的第一峰(P1+P2)和第二峰(P3)分别分布在0.1–100ms和100–1000ms的范围内。随着注入时间的增加,峰面积均增大,意味着浆体同时渗透到微孔、大孔和裂缝中。如图三(c)所示,随着进样时间从t=30s增加到60s,新的第二峰(P3)变化不大,而新的第一峰(P1+P2)的面积和峰值明显增加。这意味着此时的渗流过程主要发生在岩石孔隙中,浆体从裂缝渗透到微孔隙中。
相比于传统检测方法,低场核磁共振技术的优势十分突出。首先,它是一种完-全无损的检测方式,无需破坏样品即可实现重复、动态测量,极大提高了实验数据的可靠性和工程应用的可行性。其次,低场核磁具备高分辨率与高灵敏度,能够区分不同赋存状态的水分(如自由水、毛细水和结合水),从而更精细地揭示注浆改良的机理。第三,该技术操作简便、检测速度快,可与室内试验和现场监测相结合,推动注浆工艺从“经验驱动"向“数据驱动"转变。
综上所述,低场核磁共振技术为土体的注浆改良提供了一种革命性的评价手段。它不仅能够深入揭示浆液在土体中的分布与固化机制,还能实现对改良效果的精准、无损诊断,进而提升注浆工程的质量与效率。随着该技术在岩土工程中的不断推广与应用,未来有望成为注浆设计与施工中不可-或缺的分析工具,为城市地下空间开发、重大基础设施建设提供更加可靠的技术保障。