基于弹性波速的粉质黏土含冰量测量方法与机制研究

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Measurement of ice content in silty clay based on elastic wave velocity

为解决冻土含冰量实时无损检测难题，本研究通过弹性波速测量与核磁共振(NMR)实验，建立了基于波速的含冰量预测模型。研究发现负温条件下波速与含冰量呈显著正相关，构建的初始含水率模型精度达90%，温度模型适用性更广，为冻土力学研究提供了新技术手段。

　　

在寒冷地区的工程建设中，冻土就像一位性格多变的"邻居"——温度降低时，土壤中的水分凝结成冰，体积膨胀引发地面隆起（冻胀现象）；温度回升时，冰层融化又导致地基沉降。这种冰与水的"变形记"直接决定着冻土的力学特性，而含冰量正是操控这场变化的核心角色。传统含冰量检测方法如核磁共振(NMR)虽精度较高，但设备昂贵笨重，对试样规格要求严格，难以适用于现场监测；介电谱法在粗粒土中效果良好，但对细粒土的适用性尚未验证；T-TDR方法虽理论基础明确，但其理论模型存在固有误差。

面对这些技术瓶颈，北京交通大学地下工程教育部重点实验室的研究团队在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》发表了一项创新研究，他们另辟蹊径地将弹性波速这一工程常用指标与含冰量建立联系，试图开发一种连续、无损且高效的含冰量测量方法。

研究团队选取青海共和县象皮山国道附近的粉质黏土为研究对象，通过控制初始含水率(8.4%-39.1%)制备了五组试样，采用波形发生器(3350B型)和示波器(DSOX2014A型)测量弹性波速，配合核磁共振设备(MacroMR12-060H-I型)进行未冻水含量测试。实验在-20°C至20°C的温度梯度下进行，每个温度点恒温12小时后测量，通过首波到达法确定波传播时间，利用顺磁回归线法计算未冻水含量，进而推导出体积含冰量。

4.1 初始含水率的影响

正温条件下，温度对波速影响微弱(变幅1.2%-4.5%)，但波速随初始含水率增加而显著降低。含水率从8.4%增至39.1%时，波速下降反映土骨架刚度减弱，这与黏土中水的吸附行为削弱基质弹性有关。

4.2 温度变化的影响

负温条件下，所有试样波速均随温度降低而增加，变化分为两个阶段：-5°C以上波速急剧增长，-5°C以下增长趋缓。高含水率试样(39.1%)在-20°C时波速达3606.2 m/s，较0°C增长11.1倍，而低含水率试样(8.4%)在-1°C时波速几乎不变，与其较低冻点(-1.5°C)相关。

4.3 核磁共振平行试验

NMR结果显示，-5°C以下所有试样未冻水含量趋于稳定(-20°C平均5.6%)，对应含冰量增长平台期。孔隙水分布曲线表明，0°C至-5°C区间内团聚体间孔隙水快速减少，-5°C以下变化减缓，证实含冰量是波速变化的主控因素。

4.4 基于波速的土壤含冰量预测模型

建立两种预测模型：初始含水率模型V=V₀+αθ_i（精度更高，R²>0.9）和温度模型V=βθ_i^e（适用性更广）。验证显示90%置信区间内预测值与实测值吻合良好。

5.1 推荐测量参数

研究推荐采用正弦波(非方波)、10Vpp振幅、50-200kHz激发频率进行测量，以确保信号清晰度与穿透深度的平衡。

5.2 含冰量影响波速的机制

正温时水分减少增强颗粒间摩擦与黏聚力；负温时冰晶形成显著提升土体刚度，冰-土复合结构使波速大幅提高。低含水率土体因冻点较低，在0°C至-3°C波速变化微弱。

本研究证实弹性波速与含冰量存在明确量化关系，建立的预测模型为冻土工程提供了一种新颖、快速的无损检测手段。尽管模型在特定粉质黏土中验证良好，但其在多元土类及复杂冻融循环条件下的普适性仍需进一步验证。这项研究将冻土力学从定性分析推向定量检测的新阶段，对寒区工程建设与地质灾害防治具有重要实践意义。