基于核磁共振干濕循環(huán)影響下土壤斥水性分析

李同海，趙 仕

（1.中鐵十七局集團(tuán)有限公司，太原 030006；2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 510641）

土壤斥水性是水分滯留在土壤表面、難以入滲的現(xiàn)象。地表淺層土壤受自然和人類行為因素影響導(dǎo)致含水率改變，斥水性表現(xiàn)出明顯差異。土壤斥水性差異會引起土壤中水分分布不均，導(dǎo)致土壤不均勻變形，增加地表徑流[1-2]；斥水性土壤中還可形成優(yōu)先流，增加土壤滲流和失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)[3]。接觸角和水滴穿透時(shí)間（W ater drop penetration time，WDPT）是描述土壤斥水性常用指標(biāo)。WDPT因測試程序簡單、試驗(yàn)耗時(shí)短、可迅速得到土壤斥水性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于學(xué)術(shù)和工程領(lǐng)域。影響土壤斥水性有諸多因素，如土粒比重、孔隙結(jié)構(gòu)、干燥狀態(tài)、物質(zhì)組成、自然環(huán)境變遷等。Renáta等發(fā)現(xiàn)土壤斥水性程度與土質(zhì)、氣候環(huán)境、植被覆蓋程度等密切相關(guān)，當(dāng)斥水性土壤經(jīng)歷一系列干濕循環(huán)后，其斥水性表現(xiàn)出不同變化規(guī)律[4]。Subedi等認(rèn)為干濕循環(huán)作用導(dǎo)致土壤鈣含量變化，顯著影響土壤接觸角和滲水性，在水勢函數(shù)中應(yīng)考慮干濕循環(huán)的影響[5]。Laurengo等在石油污染土滲透性研究中發(fā)現(xiàn)，土壤斥水性隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而降低[6]。我國南方夏季高溫多雨，地表淺層土壤不可避免經(jīng)歷干濕循環(huán)過程。土壤經(jīng)歷干濕循環(huán)后，其他物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著改變，土顆粒表面特性也表現(xiàn)明顯變化[7]。經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后土壤，其脫濕和吸濕過程中斥水性變化可導(dǎo)致土壤滲流、不連續(xù)變形、威脅工程邊坡及其上等構(gòu)筑物的安全。土壤斥水性受干濕循環(huán)影響變化規(guī)律，受到學(xué)術(shù)界和工程界廣泛關(guān)注。

土壤是多孔隙介質(zhì)，水分入滲通過孔隙實(shí)現(xiàn)，孔隙水分布特征是影響土壤斥水性重要因素。土壤斥水性對含水率具有依賴性，含水率高土壤常常具有更好親水性，而干燥土壤斥水性顯著提高[8]。研究顯示，隨含水率增加，土壤斥水性逐漸增大并達(dá)到極值，之后隨含水率的增加而降低至消失[9]。陳俊英等提出的數(shù)學(xué)模型對不同土壤斥水性回歸適應(yīng)性較好，可準(zhǔn)確反映斥水性隨含水率先升后降趨勢[10]。但土壤斥水性隨含水率變化呈先升后降機(jī)理仍缺少清晰認(rèn)識。因此，揭示孔隙水分布于土壤斥水性內(nèi)在聯(lián)系，對多雨地區(qū)土壤水分保持和土體穩(wěn)定具有重要意義。核磁共振技術(shù)廣泛應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域，可動(dòng)態(tài)監(jiān)測土壤孔隙水變化，反映吸濕、脫濕過程孔隙水分布特征，為揭示土壤斥水性與含水率關(guān)系提供新途徑。

本研究測試經(jīng)歷1～3次干濕循環(huán)后土壤在脫濕、吸濕過程中WDPT值，分析循環(huán)次數(shù)與土壤斥水性關(guān)系；基于核磁共振技術(shù)，從孔隙水分布角度揭示土壤斥水性隨含水率先升后降的內(nèi)在機(jī)理。研究結(jié)果可為土壤斥水性深入研究和工程方案制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用土

本研究用土取自貴陽至遵義高速公路擴(kuò)建項(xiàng)目K29+870附近，取土深度為地表以下1～3 m。取土?xí)r，剖去地表腐殖土，人工挖取1 m×1 m正方形土樣，土樣為褐色，稍濕，干強(qiáng)度及韌性中等，切面較光滑，手捏有滑膩感，天然含水率高、可塑性較強(qiáng)、含有少量鐵錳結(jié)核和未風(fēng)化巖石。將土壤自然曬干并碾碎，去除其中植物根系、有機(jī)物殘?jiān)?、巖石等雜質(zhì)。試驗(yàn)中曬干土樣過2 mm圓孔篩，參照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T50123-2019[11]，通過室內(nèi)試驗(yàn)和X衍射得到該土壤基本物性指標(biāo)為：土壤天然含水率43.5%，孔隙度34.8%，液限57.8%，塑限28.3%，粒徑＜0.005 mm的土粒占比46.5%。土壤黏土礦物主要包含高嶺土24.39%、伊利石11.9%、針鐵礦13.31%、石英50.4%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 WDPT及核磁共振測試

試驗(yàn)用試樣為常規(guī)環(huán)刀試樣（直徑61.8 mm，高20.0 mm），如圖1所示，為防止金屬材料對核磁共振系統(tǒng)磁場影響，試驗(yàn)采用特制聚四氟乙烯環(huán)刀。采用3個(gè)平行試樣，以間距為3%設(shè)置含水率控制點(diǎn)。試樣脫濕、吸濕達(dá)到預(yù)定含水率點(diǎn)時(shí)，先稱重計(jì)算含水率，再作核磁共振測試和WDPT測試。WDPT是在試樣表面放置3個(gè)去離子水滴（每個(gè)50μL），記錄其完全入滲試樣時(shí)間，取平均值作為該含水率下WDPT值。為確保水分在土壤中重新分配，在脫濕或吸濕到預(yù)定含水率后，需經(jīng)歷密封平衡期，再作斥水性測試。

圖1 測試試樣Fig.1 Testing specimen

圖2 中試驗(yàn)步驟包括如下階段：

圖2 試驗(yàn)步驟Fig.2 Testing procedure

A.取過2 mm篩干燥土壤，配制含水率約12%濕土，用靜壓法制取干密度1.6 g·cm-3的3個(gè)試樣。將試樣采用抽真空方法飽和，試樣飽和含水率約47%；

B.脫濕過程中，濕潤試樣在恒溫恒濕箱（T=30℃,RH=40%）內(nèi)干燥2～3 h；吸濕過程中，采用噴壺少量噴灑增加試樣含水率；達(dá)到預(yù)定含水率點(diǎn)后，樣品放置在常溫保濕缸內(nèi)密封保存48 h；

C.使用電子天平稱量試樣質(zhì)量并記錄（精確到0.01 g），計(jì)算試樣含水率；

D.核磁共振測試，試樣表面使用保鮮膜密封以防止測試過程中水分蒸發(fā)；

E.用滴管在試樣表面放置3個(gè)水滴，秒表記錄3個(gè)水滴完全入滲時(shí)間；為減少水滴間相互干擾，水滴間間距＞10 mm，且水滴與試樣邊緣間距＞10 mm；但吸濕過程，水滴放置可導(dǎo)致試樣局部潤濕性逆轉(zhuǎn)（該區(qū)域局部潤濕，試樣干燥），這是不可避免的，這也是WDPT缺點(diǎn)。

F.重復(fù)步驟B至E，直至樣品完全干燥或飽和。

上述測試過程中，試樣含水量3%～47%，所有WDPT測試試樣均經(jīng)3次干濕循環(huán)。因測試條件限制，文中僅測定第1次脫濕路徑下試樣核磁共振數(shù)據(jù)。

1.2.2 核磁共振原理

核磁共振技術(shù)作為快速、無損檢測技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、井水勘探、巖土工程等領(lǐng)域。本研究利用H質(zhì)子核磁共振探討土壤脫濕過程中孔隙水分布特征。H核磁共振是指H質(zhì)子在外加磁場作用下吸收能力發(fā)生能級間共振躍遷核，弛豫時(shí)間則為H質(zhì)子從高能級狀態(tài)恢復(fù)到初始穩(wěn)定狀態(tài)所用時(shí)間。通過H質(zhì)子自旋軸的弛豫時(shí)間（T2）曲線，可得到樣品中H質(zhì)子數(shù)量和偏轉(zhuǎn)后恢復(fù)到初始平衡的順序[12]。當(dāng)土壤孔隙充滿水時(shí)（飽和狀態(tài)），T2曲線與橫軸積分面積代表土壤含水量，T2數(shù)值也與土壤孔隙半徑存在對應(yīng)關(guān)系。因而，T2曲線也間接反映土壤中孔隙大小和不同大小所占比率。弛豫時(shí)間T2與孔隙半徑關(guān)系可用式（1）表示[13]，其中，ρ2為常數(shù)，為由顆粒表面物理化學(xué)性質(zhì)決定的表面弛豫強(qiáng)度；r代表孔隙半徑；而（S/V）為孔隙表面積與內(nèi)部流體體積比值；Fs為孔隙形狀因子（對柱狀孔，F(xiàn)s=2），C為某一常數(shù)。

試驗(yàn)所用儀器為蘇州紐邁生產(chǎn)的MiniMR60型NMR儀，共振頻率為23.309 MHz，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.55 T，線圈直徑為60 mm，磁體溫度為32.00℃。試驗(yàn)參數(shù)如下：90°脈寬為17.5μs，180°脈寬為35.0μs，采樣點(diǎn)數(shù)266 424，采用頻率為200 kHz，射頻延時(shí)為80μs，重復(fù)采樣等待時(shí)間為1 000 ms，模擬增益為20，數(shù)字增益為3，采樣累加次數(shù)為4，回波時(shí)間為260μs，回波個(gè)數(shù)為4 000。

2 結(jié)果與分析

2.1 脫濕-吸濕過程WDPT

干濕循環(huán)過程為水反復(fù)進(jìn)出土壤孔隙過程，進(jìn)水使土壤孔隙膨脹，沖刷土粒表面，而脫濕過程中孔隙出現(xiàn)一定程度收縮[3]。土壤孔隙水分布和土粒表面特性發(fā)生改變后，必然導(dǎo)致土壤斥水性差異。圖3描繪1～3次干濕循環(huán)下土壤斥水性與含水率ω關(guān)系，圖3a為脫濕過程中WDPT與含水率ω關(guān)系，圖3b為吸濕過程中WDPT隨含水率ω變化規(guī)律。

如圖3a所示，土壤含水率由約47%減小到約3%，1～3次脫濕過程中WDPT值均呈先增后減趨勢，WDPT最大值點(diǎn)分布在試樣含水率變化區(qū)間中間段（ω=20%～30%）。第1次脫濕過程中，含水率從46.8%減小到3.5%，WDPT值先從5.9 s增加至141.6 s，此時(shí)ω=25.61%），而后又逐漸減小至2.68 s；WDPT平均值為51.4 s，最大值為平均值2.76倍。第2次脫濕過程中，含水率從45.2%減至約3.1%，WDPT值先由3.9 s增至50.6 s（此時(shí)ω=29.3%），而后又減至6.4 s；WDPT平均值為21.8 s，最大值為平均值2.32倍。第3次脫濕過程中，含水率從43%減至5.4%，WDPT值先由2.4 s增至38.0 s（此時(shí)ω=29.6%），而后又減至6.5 s；WDPT平均值為19.5 s，最大值為平均值1.95倍。第1次脫濕過程中，試樣WDPT值變化范圍最大，土壤斥水性隨含水率變化而發(fā)生巨大轉(zhuǎn)折。而第2～3次脫濕過程中，試樣WDPT值之間差異顯著減小，隨含水率先增后降變化幅度也顯著減小，即土壤斥水性差異降低。圖3b試樣吸濕過程WDPT值變化規(guī)律與脫濕過程類似。隨試樣含水率由3%增至約47%，1～3次吸濕過程土壤斥水性均表現(xiàn)為先增后減。第1次吸濕過程土壤斥水性變化幅度遠(yuǎn)大于后續(xù)吸濕過程。

圖3 土壤斥水性與含水率關(guān)系Fig.3 Relationship between water repellency and water content

由圖3可知，3%≤ω＜17%、38%≤ω≤47%段，WDPT值較小，土壤斥水性較弱。當(dāng)17%≤ω＜38%時(shí)，WDPT值較大，土壤斥水性較強(qiáng)。干濕循環(huán)對試樣WDPT值存在顯著影響，但該影響主要體現(xiàn)在第1次循環(huán)過程。2～3次循環(huán)過程中，試樣WDPT值差異小且變化相對平緩。經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后，不論吸濕還是脫濕過程，處于非飽和狀態(tài)土壤斥水性顯著高于飽和或者干燥狀態(tài)；土壤斥水性對含水率有顯著依賴性，與Oekker等研究結(jié)果一致[8]?？梢?，非飽和狀態(tài)為研究土壤斥水性關(guān)鍵，也是揭示斥水性隨含水率變化機(jī)理關(guān)鍵。

2.2 脫濕過程核磁共振

非飽和土T2曲線可用于分析孔隙水分布特征，為揭示土壤斥水性隨含水率變化內(nèi)在機(jī)理提供新思路。圖4列出試樣第1次脫濕過程中不同含水率控制點(diǎn)T2曲線。為便于曲線間區(qū)分，文中僅選取6條T2曲線作分析；圖中橫坐標(biāo)為橫向弛豫時(shí)間，單位為ms；縱坐標(biāo)為各弛豫時(shí)間對應(yīng)幅值，為無量綱量。表1列出圖4中各條T2曲線特征值及積分面積，便于對比分析。

由圖4、表1可知，隨含水率減小，T2曲線峰值逐漸減小，T2曲線與橫坐標(biāo)軸積分面積也逐漸減?。划?dāng)ω=46.8%時(shí)，T2曲線積分面積為120.9 ms，當(dāng)ω=3.1%時(shí)，T2曲線積分面積為20.3 ms；T2曲線積分面積變化規(guī)律，與試樣含水率變化相對應(yīng)。不同含水率下T2曲線最小值保持不變（約0.01 ms），但含水率越高，T2曲線最大值也越大（1～3 ms）。研究證實(shí)，T2值與孔徑之間存在對應(yīng)關(guān)系；對不同土壤，二者之間轉(zhuǎn)換系數(shù)不同[14-15]。

表1 不同含水率下T2曲線特性參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of T2 curve with various water content

圖4 中T2值跨越3個(gè)數(shù)量級，說明試樣孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜。弛豫時(shí)間T2≤0.1 ms對應(yīng)孔隙水較少，大部分孔隙水弛豫時(shí)間為0.1～3 ms。當(dāng)試樣含水率從46.8%降至17.1%時(shí)，T2曲線最大值略有減?。?.912 ms減至2.280 ms）、最小值幾乎不改變，但曲線積分面積逐漸減小，其減小部分主要發(fā)生在T2≥0.1 ms段。試樣含水率從17.1%降至8.2%過程中，T2曲線最大值（2.28 ms減至1.04 ms）和積分面積相應(yīng)減小，其減小部分也主要發(fā)生在T2≥0.1 ms段。試樣含水率從8.2%降至3.1%過程中，T2曲線積分面積減小，最大值、最小值未發(fā)生明顯變化。故而，文章定義T2=0.1 ms對應(yīng)的孔為臨界孔徑rC，即脫濕現(xiàn)象主要由于孔徑大于rC的孔隙內(nèi)的水逐漸蒸發(fā)。

圖4 脫濕過程T2曲線Fig.4 T2 curve during drying process

3 討論

3.1 循環(huán)次數(shù)對土壤斥水性影響

在有限次干濕循環(huán)影響下，土壤中微孔隙量幾乎保持不變，而中孔隙和大孔隙量隨循環(huán)次數(shù)增加而增加[16-17]。對非飽和土而言，Young-Laplace方程（式2）是描述氣-固-液三相相互關(guān)系的經(jīng)典理論。其中，σ為液體表面張力；θ為土壤固-液接觸角，ΔP為氣-液界面兩側(cè)壓力差值，即基質(zhì)吸力；r為孔隙半徑。在土水特征曲線中，ΔP、r與土壤進(jìn)氣值相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷有限次干濕循環(huán)后，土壤孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，土壤斥水性也隨之改變?？紫犊讖皆酱?，其對應(yīng)進(jìn)氣值越小，即較小壓力即可將孔隙水排出；同理，大孔隙阻礙水滴下滲阻力也越小，即水滴在重力作用下更易滲入大孔隙，使得大孔隙具有較低WDPT值（見圖3）。干濕循環(huán)對斥水性影響主要體現(xiàn)在第1次循環(huán)作用，因經(jīng)歷1次干縮過程后試樣孔隙發(fā)生顯著變化（如微裂隙和損傷），而后續(xù)吸濕、脫濕過程均在1次干縮基礎(chǔ)上完成。

另外，吸濕過程中WDPT值略高于脫濕過程WDPT值，這是因?yàn)橥寥篮氏嗤鼭?、脫濕過程中孔隙水形態(tài)存在差異。通過噴灑改變環(huán)境相對濕度使土壤吸濕，較小孔隙先發(fā)生凝結(jié)，直到環(huán)境相對濕度不再升高，完成小孔隙凝結(jié)，所以吸濕穩(wěn)定時(shí)試樣含水率通常小于飽和含水率。脫濕過程與之相反，較大孔隙先完成蒸發(fā)過程。因而，吸濕、脫濕過程含水率相同時(shí)，土壤孔隙水形態(tài)明顯不同，這也是造成干濕循環(huán)中WDPT出現(xiàn)明顯區(qū)別原因之一[18-19]。

3.2 斥水性與土壤含水率關(guān)系

飽和土中不同孔徑孔隙均處于滿水狀態(tài)，對脫濕、吸濕過程的非飽和土而言，部分孔隙處于非滿水狀態(tài)。土壤吸濕過程中T2曲線與脫濕過程類似，本研究僅對脫濕過程作詳細(xì)討論。如圖4所示，試樣從飽和狀態(tài)脫濕至含水率約17.1%過程中，孔隙水（T2曲線積分面積）明顯減少。但可觀測到僅弛豫時(shí)間T2≥0.1 ms的孔隙內(nèi)水發(fā)生部分蒸發(fā)，而T2＜0.1 ms的孔隙內(nèi)水尚未開始蒸發(fā)，即孔隙水蒸發(fā)現(xiàn)象先發(fā)生在較大孔隙內(nèi)。在含水率ω≥17.1%段，T2曲線最大值并未明顯減小，說明土壤中不同孔徑的孔中均含水，但非滿水狀態(tài)。在8.2%≤ω＜17.1%段，T2曲線最大值明顯減小，即部分孔隙內(nèi)水已蒸發(fā)完全，為無水孔。

圖5 為土壤脫濕過程中孔隙水變化示意圖。根據(jù)壓汞法對孔徑的分類[20-21]，可將土壤孔隙分為微孔（＜2 nm），介孔（2～50 nm），大孔（＞50 nm）。本研究假定圖5中不同大小的3種孔分布代表大孔、介孔和微孔。

由圖5可知，在A階段，3類孔隙均處于滿水狀態(tài)，此時(shí)水滴無入滲阻力，WDPT值較小，與圖3中47%＞ω≥38%段相對應(yīng)。試樣脫濕到達(dá)B階段時(shí)，試樣含水率約38%＞ω≥17%，r≥rC（即T2≥0.1 ms）的部分大孔和介孔已處于非滿水狀態(tài)，這些孔內(nèi)液面與孔口之間存在一定量“填充氣”，與圖4中孔隙水T2曲線變化規(guī)律一致。此階段WDPT值明顯更大，表現(xiàn)為土壤斥水性更強(qiáng)。水滴入滲時(shí)，“填充氣”無法及時(shí)排出而對水滴形成阻力。其中，試樣含水率從約38%減至約25%過程，大孔、介孔中水逐漸減少，孔隙內(nèi)“填充氣”增多，對入滲水滴的阻力逐漸增大，故該段WDPT值隨含水率減小而逐漸增大。在25%＞ω≥17%段，土壤中部分大孔徑毛管水已蒸發(fā)完；而介孔中仍存在“填充氣”，此時(shí)“填充氣”對入滲水滴的阻力隨蒸發(fā)而逐漸減小，此階段WDPT值隨含水率減小而減小。試樣繼續(xù)脫濕至C階段，僅微孔中還存有少量水；大孔和介孔成為無水孔，這部分孔隙內(nèi)不存在難以排除的“填充氣”阻礙水滴入滲，WDPT值較低，土壤斥水性較小。

圖5 脫濕過程孔隙水分布Fig.5 Pore water distribution during drying process

4 結(jié) 論

a.自然干濕循環(huán)作用不會改變土壤斥水性對含水率的依賴性。不同循環(huán)次數(shù)下，土壤斥水性均呈隨含水率增加而先增后減。第1次干濕循環(huán)對土壤斥水性影響最大，后續(xù)增加循環(huán)次數(shù)未對斥水性產(chǎn)生明顯影響。

b.隨試樣含水率減小，核磁共振T2曲線積分面積相應(yīng)減小，部分孔隙處于非滿水狀態(tài)；含水率減小到某一臨界值時(shí)，T2曲線最大值降低，部分大孔隙變?yōu)闊o水孔。在本研究脫濕條件下，孔徑大于rC（T2≥0.1 ms）的孔隙水蒸發(fā)同時(shí)進(jìn)行，但大孔隙內(nèi)的水先蒸發(fā)。

c.非飽和土孔隙內(nèi)存在的“填充氣”難以及時(shí)排出，阻礙水滴入滲；“填充氣”含量隨含水率增加而先增后減，這也是土壤斥水性隨含水率先增后減的主要原因。

d.本研究結(jié)果可對土壤水分保持和相關(guān)工程建設(shè)提供一定參考，但僅對特定土壤開展研究，且T2曲線數(shù)據(jù)不夠豐富，結(jié)果普適性仍有待進(jìn)一步探索。