在寒區(qū)工程建設(shè)中，凍融循環(huán)是影響巖土體穩(wěn)定性的 “隱形殺手”。巖土經(jīng)歷反復(fù)凍融循環(huán)時，內(nèi)部水 - 冰相變引發(fā)的體積膨脹與收縮，會直接導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)重塑、微裂縫萌生擴(kuò)展、水分異常遷移等問題，進(jìn)而威脅道路、橋梁、隧道等工程的長期安全。傳統(tǒng)監(jiān)測方法多存在有損、無法原位定量等缺陷，而低場核磁共振（LF-NMR）技術(shù)的出現(xiàn)，為巖土凍結(jié)過程表征提供了全新解決方案，成為破解凍融循環(huán)下巖土監(jiān)測難題的核心技術(shù)。

一、凍融循環(huán)對巖土體的危害：那些看不見的 “內(nèi)傷”

寒區(qū)巖土常年處于 “凍結(jié) - 融化” 的循環(huán)交替中，水 - 冰相變產(chǎn)生的物理效應(yīng)，會給巖土體帶來一系列 “內(nèi)傷”：

孔隙結(jié)構(gòu)劣化：凍結(jié)時冰體膨脹擠壓孔隙壁，使微孔擴(kuò)張、大孔形成；融化后水分流失導(dǎo)致孔隙塌縮或重構(gòu)，改變巖土原有孔隙分布；

微裂縫發(fā)育：反復(fù)脹縮應(yīng)力超過巖土抗拉強(qiáng)度，引發(fā)微裂縫萌生，且裂縫會隨凍融循環(huán)次數(shù)增加持續(xù)擴(kuò)展，降低巖土完整性；

水分分布紊亂：凍結(jié)階段水分向凍結(jié)鋒面遷移聚集，融化后水分在重力、基質(zhì)吸力作用下重分布，加劇巖土力學(xué)性能劣化；

工程風(fēng)險加?。哼@些變化直接導(dǎo)致巖土力學(xué)強(qiáng)度下降、滲透性能增強(qiáng)，最終引發(fā)凍脹融沉、邊坡失穩(wěn)、地基變形等工程災(zāi)害。

因此，精準(zhǔn)捕捉凍融循環(huán)下巖土體內(nèi)部變化，實(shí)現(xiàn)巖土凍結(jié)過程表征，對寒區(qū)工程設(shè)計、施工及運(yùn)維具有重要意義。

二、低場核磁共振技術(shù)：巖土凍結(jié)過程表征的 “無損利器”

傳統(tǒng)巖土監(jiān)測方法如鉆孔取樣、超聲波檢測等，或存在破壞性，或無法實(shí)現(xiàn)原位定量監(jiān)測，難以全面反映凍融循環(huán)下巖土體的動態(tài)變化。而低場核磁共振（LF-NMR）技術(shù)憑借 “無損、原位、定量、快速響應(yīng)” 的獨(dú)特優(yōu)勢，成為巖土凍結(jié)過程表征的理想工具。

其原理是利用巖土體中水分子的核磁共振信號差異，通過分析 T?弛豫時間譜、信號強(qiáng)度等參數(shù)，精準(zhǔn)反演巖土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、水分狀態(tài)、裂縫發(fā)育等信息，全程不損傷試樣、不干擾巖土原有狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對凍融循環(huán)過程的動態(tài)追蹤。

三、低場核磁共振技術(shù)在凍融循環(huán)巖土監(jiān)測中的 4 大核心應(yīng)用

1. 孔隙結(jié)構(gòu)動態(tài)演化表征：看透巖土 “呼吸” 的奧秘

凍融循環(huán)下，巖土孔隙結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化直接反映其劣化程度。低場核磁共振技術(shù)通過分析 T?弛豫時間譜的峰位、峰面積及峰形變化，可精準(zhǔn)識別微孔、中孔、大孔等不同尺寸孔隙的相對含量與分布特征演變規(guī)律。

例如，凍結(jié)階段大孔水分先結(jié)冰，T?譜對應(yīng)大孔的峰面積減小；融化階段冰體消融，大孔峰面積回升，通過這些變化能定量掌握孔隙擴(kuò)張、塌縮的動態(tài)過程，為揭示凍融循環(huán)下巖土孔隙劣化機(jī)制提供直接數(shù)據(jù)支撐。

2. 未凍水含量與相態(tài)動態(tài)監(jiān)測：掌控水分 “凍結(jié)密碼”

未凍水的含量與分布是影響巖土凍脹敏感性、力學(xué)強(qiáng)度的核心因素。在凍融循環(huán)的凍結(jié)與融化階段，低場核磁共振技術(shù)可通過弛豫信號強(qiáng)度與弛豫時間的變化，實(shí)時監(jiān)測未凍水含量的動態(tài)變化，同時精準(zhǔn)揭示水分凍結(jié)順序 —— 大孔隙水分因束縛力小先凍結(jié)，小孔隙水分因強(qiáng)束縛效應(yīng)后凍結(jié)，以及殘留未凍水在不同孔隙中的空間分布特征。

這些數(shù)據(jù)能幫助工程師深入理解巖土凍結(jié)過程中水分相態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)制，為優(yōu)化凍土工程防凍設(shè)計、降低凍脹風(fēng)險提供關(guān)鍵參數(shù)。

3. 凍融誘導(dǎo)裂縫萌生與擴(kuò)展成像：捕捉裂縫 “生長軌跡”

微裂縫的萌生與擴(kuò)展是巖土體損傷的直觀表現(xiàn)。低場核磁共振技術(shù)利用質(zhì)子信號差異，可對凍融前后巖土試樣進(jìn)行二維、三維成像，直觀清晰地顯示凍融循環(huán)誘導(dǎo)微裂縫的空間位置、長度、寬度、走向及連通性變化。

從裂縫最初萌生，到隨凍融循環(huán)持續(xù)擴(kuò)展，再到形成連通裂縫網(wǎng)絡(luò)，該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)全程動態(tài)追蹤與定量描述，為評估凍融循環(huán)下巖土體損傷程度、預(yù)判工程穩(wěn)定性提供可視化依據(jù)。

4. 水分遷移與重分布規(guī)律分析：追蹤水分 “流動路徑”

凍融循環(huán)中，溫度梯度驅(qū)動下的水分遷移與融化后重分布，是加劇巖土劣化的重要過程。低場核磁共振技術(shù)通過監(jiān)測不同空間位置、不同時間點(diǎn)的信號強(qiáng)度變化，能精準(zhǔn)捕捉凍結(jié)階段水分向凍結(jié)鋒面遷移的速率、路徑及聚集規(guī)律，同時定量分析融化后水分在巖土內(nèi)部的重分布特征。

這一應(yīng)用可幫助闡明凍融循環(huán)下巖土體水分運(yùn)移機(jī)制，為解決凍土工程中的凍脹融沉問題、優(yōu)化工程排水設(shè)計提供科學(xué)指導(dǎo)。

應(yīng)用案例：多孔介質(zhì)凍融循環(huán)的非水相液體重新分配

不同PCE飽和度樣品在不同凍融周期后的T2分布曲線

不同樣品不同凍融周期下的縱向截面核磁成像

四、低場核磁共振技術(shù)：推動寒區(qū)巖土工程高質(zhì)量發(fā)展

在寒區(qū)工程建設(shè)需求日益增長的背景下，低場核磁共振技術(shù)以其在凍融循環(huán)巖土監(jiān)測中的獨(dú)特優(yōu)勢，正成為巖土凍結(jié)過程表征的核心技術(shù)手段。它不僅能為科研人員揭示凍融循環(huán)下巖土體劣化機(jī)制提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，更能為工程技術(shù)人員優(yōu)化設(shè)計、防控風(fēng)險提供實(shí)用指導(dǎo)，有效降低凍脹融沉等災(zāi)害帶來的經(jīng)濟(jì)損失，推動寒區(qū)巖土工程向安全、高效、可持續(xù)方向發(fā)展。

未來，隨著低場核磁共振技術(shù)的不斷升級，其在寒區(qū)道路、鐵路、隧道、礦山邊坡等工程領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛，為寒區(qū)工程建設(shè)保駕護(hù)航。