粉土黏土的渗透性及基于 NMR T2 双截止值的预测模型

这对隧道和轨道为什么重要

当工程师为地铁线路或隧道挖掘深基坑时，他们并不是仅仅穿过实地面——他们同时为地下水涌入打开了通道。在中国济南，一条新地铁线在穿越一层本应较紧密的粉土黏土时发生了严重的涌水事故。本文研究为什么某些粘土比预期更容易透水，并介绍一种利用类医疗扫描技术——核磁共振（NMR）——来预测水在其中流动难易的新方法。

深入一层渗水的地层

研究者将重点放在济南某地铁站下方的一层粉土黏土上，该层的严重涌水中断了施工。传统上，工程师依靠颗粒级配和颗粒间空隙率（孔隙比）等基本土工参数来估算土体的渗透性。但经验证据和以往研究表明，即便两种土样的孔隙比几乎相同，其渗透性也可能相差百倍。本研究比较了同一土体的两种状态：从开挖现场直接取出的“未扰动”粉土黏土，以及在实验室中被打散后按相同密度和含水率重新压实的“重塑”粉土黏土。

土体内部的隐蔽通道

研究小组用三轴试验装置对两种粘土施加逐步增加的围压，测量它们的压缩量并记录水的渗流速率。尽管初始总体松散程度相同，未扰动土的透水量比重塑土高出六十倍以上。照片显示未扰动样品中存在明显的大孔隙，而在重塑样品中这些孔隙缺失。随着压力增加，两种土的渗透性都降低，但表现不同：重塑土呈现出规则且可预测的变化趋势，而未扰动土在其天然结构开始塌落时出现剧烈转变。这说明不仅孔隙体积重要，孔隙的形状与连通性对渗流控制也有决定性影响。

用 NMR 观察含水孔隙

为了在不破坏样品的情况下窥探孔隙网络，研究者采用了低场核磁共振技术，该技术跟踪水中氢原子在磁场中的响应。得到的 T2 谱像孔隙系统的指纹：较短的弛豫时间对应微小且紧束缚的孔隙，较长的时间则表明较大且较自由的空间。未扰动和重塑粘土的谱线都出现了多个峰，分别对应不同的孔径群。未扰动土在长时间段上出现额外峰值，揭示出作为优先流道的大孔隙。通过观察这些峰在更高压力下的位移和减弱，研究者可以看到大孔隙被挤压关闭，这与渗透性的下降相一致。

将孔隙分为三类

现有基于 NMR 的土壤渗透性预测模型通常将所有连通孔隙一并处理，并常用单一截止时间把水分为“可动”和“不可动”两类。这过于简化了实际情况：极小孔隙中的水几乎不流动，中等孔隙中的水有一定流动，而大孔隙中的水主导整体流量。为反映这一点，作者采用了“双截止”方法：将 T2 谱划分为对应微孔、介孔和大孔的三段。每一段对应不同的水体行为，从紧束缚到完全可动。他们将这种三分法与毛细流理论以及描述水流路径曲折程度的参数结合起来。

更精确的渗流预测工具

基于上述思路，作者提出了一种新预测模型，该模型从 NMR T2 谱计算水力传导率，同时分别处理中孔和大孔并考虑水流必须遵循的曲折通道。在与实验室测量结果对比时，该模型优于若干常用的基于 NMR 的公式，尤其对以微孔和介孔为主的土壤表现更好。对工程师而言，结论很明确：在常规试验中看起来相似的两种粘土，在地下可能表现截然不同，而 NMR 提供了一种强有力的手段来观察控制渗流的内部通道。通过更准确地预测水在隧道和深基坑周围粉土粘土中的流动方式，该方法有助于设计更安全、更具成本效益的地下工程。

引用: 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

关键词: 粉土黏土, 土壤渗透性, 地下水渗流, 核磁共振, 地下工程