低场核磁共振成像分析技术在岩石岩土冻融中的应用实例

低场核磁共振成像分析技术在岩石岩土冻融中的应用实例

一、研究背景

在寒区，冻融变化的交替作用极易引发扼石流、滑塌、滑坡、冰锥等一系列灾害，给寒区的建设和生态系统造成破坏。“冻融”是指岩、土层由于温度降至0零度以下和升至零度以上而产生冻结和融化的一种物理地质作用和现象。

在寒区，由于冰雪的反复冻融而导致岩体破碎，使得岩体的整体性下降，成为诱发边坡发生崩塌或滑动的主要原园之一。寒区岩质边坡大都是经爆破、削坡形成的，从而导致边坡岩石中的裂隙极其发育，原始结构遭到了破坏和扰动。在化雪期，由于昼夜温差较大，在白天日照的条件下，覆盖在岩体表面的冰雪逐渐融化并渗入至岩体的裂隙中：当夜间气温低于0"C时，裂隙中的水叉会重新冻结，昼夜变换，冻融交替出现。由于水冻结成冰后体积会增大约9％。且体积膨胀可以产生高达200MPa的应力，因此，在冻胀力的作用下岩石的节理裂隙将进一步发展，并向深部延伸。冻融反复出现，导致裂隙不断发育，岩体的整体强度下降，潜在滑裂面上的裂隙面积增大，从而引发崩塌或滑坡。此外，在水的作用下，岩体的抗冻性下降也是导致边坡整体性和抗滑力下降，引发崩塌或整体和局部滑动的原因之一。岩石受水作用后，强度和稳定性发生变化的性质，称为岩石的软化性。岩石的软化性主要决定于岩石的矿物成分、结构和构造特征。

冻融条件下的岩石力学特性及损伤机理～直是岩石力学领域关注的前沿方向。在寒区矿山中，由于岩性、水分、温度、冰雪、应力等多重因素的耦合作用，导致岩石冻融损伤和冻融灾害的发生，对寒区矿山工程的稳定性产生了重大影响。随着我国寒区矿产资源开发活动的日益增多，矿山冻融灾害的预防和治理成为一个重要的课题。因此，研究和掌握岩石冻融损伤的机理和演化规律，可为寒区矿山冻融灾害的防治提供理论依据；对于确保寒区矿产资源的安全开采，也具有重要的现实意义。

二、核磁共振研究冻融损伤理论基础

低场核磁共振对水异常敏感，核磁测试所得到的T2弛豫时间和弛豫图谱提供了两个重要的信息，一个是弛豫时间长短，一个是信号强度．T2弛豫时间的长短与水的活性相关（揭示了孔隙大小与分布），信号强度与水的含量相关（揭示孔隙度）。

在负温条件下，岩土中的水结成冰，产生膨胀，冰对岩石裂隙两壁产生巨大的压力：而当气温回升时，冰融化成水滴，水分将沿着结构表面的孔隙或毛细孔通路向结构内部渗透，且作用于两壁的压力骤减，两壁遂向中央推回；结构件表面和内部所含水分的冻结和融化的交替出现，称为冻融循环。

在反复的冻融循环过程中，岩石的裂隙就会扩大、增多，以致石块被分割出来，这种作用叫冻融作用。因此，对于冻融环境条件或寒区中的岩土工程而言，冻融环境的变化对岩石稳定性的影响是一个不可忽视的重要因素例，该课题也是冻融力学的研究范畴。

岩石是一种天然多孔介质且易损伤的材料，在岩石内部存在着许多纵横交错的节理面、层理面和尺寸太小不一的裂隙面。如果这些孔隙与裂纹中存在水分，当温度较低，水在这些裂隙中冻结成冰时，水结冰相变，导致约9％的体积膨胀，并对岩体裂隙两壁施加足够大的压力，使裂隙增大，岩体破裂。冻胀作用对岩体损伤产生影响，这种损伤过程是不可逆的。当温度升高，冰融化咸水后，水又进入到新产生的裂隙中，如此反复循环，导致了岩体内部的冻胀、损伤开裂等一系列力学变形，从而导致其物理力学性质发生改变，甚至损伤破坏。

不同冻融次数T2弛豫图谱分析

不同冻融次数核磁共振成像分析

冻融前后样品实物图

三、岩石岩土冻融研究用核磁共振成像分析仪

冻融研究用核磁共振成像分析仪