Проницаемость супесчаной глины и модель её прогнозирования на основе двойного порогового значения T2 ЯМР

Почему это важно для тоннелей и железных дорог

Когда инженеры роют глубокие котлованы для линий метро или туннелей, они не просто прорезают сплошной грунт — они открывают путь для притока грунтовых вод. В Цзинане (Китай) при строительстве новой линии метро возникла серьёзная проблема с просачиванием воды, когда рабочие вскрыли пласт супесчаной глины, который ожидался относительно плотным. В этом исследовании изучается, почему некоторые глины проводят намного больше воды, чем ожидают, и предлагается новый способ предсказания проницаемости с помощью медицинского по сути сканирования — ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Изучение протекающего пласта грунта

Исследователи сосредоточились на слое супесчаной глины под станцией метро в Цзинане, где сильное просачивание нарушило строительство. Традиционно инженеры оценивают проницаемость по простым свойствам грунта, таким как гранулометрия и величина пустотности (коэффициент пористости). Но опыт и предыдущие исследования показали, что два грунта с почти одинаковой пустотностью могут различаться по проницаемости до сотен раз. В этой работе сравниваются две версии одного и того же грунта: естественно залегающая «ненарушенная» супесчаная глина, взятая с выемки, и «перемешанная» супесчаная глина, которую в лаборатории разрушали и вновь уплотняли до тех же плотности и влажности.

Скрытые каналы внутри грунта

С помощью триаксиальной экспериментальной установки команда сжимала оба типа глины при растущем давлении, измеряла их уплотнение и фиксировала скорость протекания воды через образцы. Несмотря на одинаковую исходную общую рыхлость, ненарушенный грунт пропускал более чем в шестьдесят раз больше воды, чем перемешанный. Фотографии показали крупные видимые поры в ненарушенных образцах, которых не было в перемешанных. С увеличением давления проницаемость обоих образцов снижалась, но их поведение расходилось: перемешанная глина следовала упорядоченной предсказуемой зависимости, тогда как ненарушенная испытывала резкую смену при разрушении её природной структуры. Это подчёркивает, что важны не только объём пор, но также форма и связность поровой сети, которые сильно контролируют фильтрацию.

Наблюение водоносных пор с помощью ЯМР

Чтобы заглянуть внутрь поровой сети, не разрушая образцы, исследователи применили низкополевой ЯМР — метод, отслеживающий, как протоны воды реагируют в магнитном поле. Полученный спектр T2 действует как отпечаток поровой системы: короткие времена соответствуют очень маленьким, плотно связанным порам, тогда как более длинные времена указывают на большие, свободно текущие пространства. И в ненарушенных, и в перемешанных образцах в спектрах наблюдались несколько пиков, соответствующих разным группам размеров пор. В ненарушенном грунте появился дополнительный пик на больших временах, выявляющий макропоры, служащие приоритетными каналами течения. Наблюдая за смещением и уменьшением этих пиков при увеличении давления, команда видела, как крупные поры сжимаются, что согласуется с наблюдаемым падением проницаемости.

Классификация пор на три типа

Существующие модели предсказания проницаемости на основе ЯМР обычно рассматривают все связанные поры вместе и часто используют один порог времени для разделения воды на «мобильную» и «немобильную». Такое упрощение плохо отражает реальность, где вода в очень мелких порах почти не движется, в средних порах движется умеренно, а в крупных порах доминирует в потоке. Чтобы учесть это, авторы применили подход с «двойным порогом»: спектр T2 разделяется на три зоны, соответствующие микропорам, мезопорам и макропорам. Каждая зона связана с различным режимом поведения воды — от плотно связанной до полностью мобильной. Они объединили этот трёхчастный взгляд с капиллярной теорией потока и показателем кривизны путей (ло́маности), по которым вода движется внутри грунта.

Более точный инструмент для прогнозирования просачивания

Опираясь на эти идеи, авторы предложили новую модель прогноза, которая вычисляет гидравлическую проводимость по спектру T2 ЯМР, отдельно учитывая средние и крупные поры и принимая во внимание извилистость путей движения воды. При проверке модели на лабораторных измерениях она показала лучшие результаты по сравнению с несколькими широко используемыми формулами на основе ЯМР, особенно для грунтов, где преобладают мелкие и средние поры. Практический вывод для инженеров ясен: две глины, которые выглядят похожими в стандартных лабораторных испытаниях, могут вести себя под землёй очень по-разному, а ЯМР даёт мощный инструмент для выявления внутренних каналов, определяющих просачивание. Более точное предсказание того, как вода будет перемещаться через супесчаную глину вокруг туннелей и глубоких выемок, может помочь проектировать более безопасные и экономичные подземные сооружения.

Цитирование: Zhao, X., Chen, C. & Wang, X. Permeability of silty clay and its prediction model based on NMR T₂ double cutoff value. Sci Rep 16, 11810 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41616-x

Ключевые слова: супесчаная глина, проницаемость грунта, просачивание грунтовых вод, ядерный магнитный резонанс, подземное строительство