CN108254265B - 一种测定孔隙水特征的环剪装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测定孔隙水特征的环剪装置及测试方法，包括计算机系统、磁体系统、谱仪系统、环剪系统和空气压缩机，所述计算机系统分别与谱仪系统和环剪系统电连接，实现对谱仪系统和环剪系统的运行控制、状态监测、信号处理和图像显示；磁体系统与谱仪系统电连接；磁体系统呈空心结构，固定在环剪系统的剪切盒底座上，对土样施加核磁共振必要的磁场；空气压缩机与环剪系统管道连接，提供气压力。本发明可在土样剪切过程中全程实时非介入式测定土体各部分孔隙水分布和迁移的变化特征，为土的剪切强度机理解释提供新的试验工具和方法，整个装置数字化、自动化程度高、测定速度快和可靠性高。

Description

一种测定孔隙水特征的环剪装置及测试方法

技术领域

本发明涉及土木试验领域，具体涉及一种测定孔隙水特征的环剪装置及测试方法。

背景技术

现有环剪仪具有可实现大剪切位移、试验过程中保持剪切面积不变、试样可在连续的位移条件下剪切；可动态控制垂直应力、剪切速率和剪切力等条件；能模拟滑坡的大位移条件等优点而被广泛应用于土体强度特征研究中。

对于土的剪切强度特征机理解释中，孔隙水特征是分析时考虑的一个重要因素。目前环剪仪多只在剪切盒下部安装一个孔压传感器来测知剪切过程中土样中孔隙水压力的变化，进而通过孔隙水压力变化特征来尝试解释其强度特征的机理。另外还有从孔隙水的分布和迁移特征的角度来做一些机理解释的假说，但几乎没有具体试验数据来支撑这些假说，也没有相应环剪仪可测知剪切时土样各处孔隙水的分布及迁移特征。而且剪切盒与土样的不透明致使剪切时土样各部分形态变化无法直接观测。如何非介入式测定土样在剪切过程中孔隙水分布和迁移的具体情况，为剪切强度特征的机理解释提供可靠数据，一直困扰着科研人员。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测定孔隙水特征的环剪装置及测试方法，可在土样剪切过程中全程实时非介入式测定土体各部分孔隙水分布和迁移的变化特征，为土的剪切强度机理解释提供了新的试验工具和方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种测定孔隙水特征的环剪装置，包括以下部件：

计算机系统，计算机系统与环剪系统侧面的环剪接口模块电连接，计算机系统与谱仪系统的谱仪前接口模块电连接；

磁体系统 ，磁体系统包括磁体接口模块、外保护壳、射频脉冲体线圈、三维梯度线圈、室温匀场线圈、永磁体、自屏蔽线圈和内保护壳，各部分依次连接固定，外保护壳外侧设有磁体接口模块；

谱仪系统，谱仪系统包括谱仪前接口模块、射频场发生控制模块、信号接收控制模块、梯度场发生控制模块和谱仪后接口模块，谱仪系统的谱仪后接口模块与磁体系统外侧的磁体接口模块电连接；

环剪系统，环剪系统包括上剪切盒、下剪切盒、剪切盒基座、基础底座和旋转升降中轴，剪切盒基座上侧设有磁体系统，磁体系统的外保护壳与环剪系统的剪切盒基座固定连接。

优选方案中，所述环剪系统的基础底座上侧设有剪切盒基座，剪切盒基座机械固定在基础底座上，剪切盒基座内设有孔隙水压传感器；剪切盒基座上侧设有下剪切盒，下剪切盒通过第二螺母固定在剪切盒基座上；基础底座中间设有旋转升降中轴，旋转升降中轴穿过剪切盒基座的中心，顶端通过第三螺母与上剪切盒固定连接；环剪系统外侧通过管道与空气压缩机连接。

优选方案中，所述磁体系统为空心结构，环剪系统的上剪切盒、下剪切盒和旋转升降中轴位于磁体系统的内保护壳内。

优选方案中，所述谱仪系统的射频场发生控制模块输入端连接谱仪前接口模块，输出端连接谱仪后接口模块；信号接收控制模块输入端连接谱仪后接口模块，输出端连接谱仪前接口模块；梯度场发生控制模块输入端连接谱仪前接口模块，输出端连接谱仪后接口模块；谱仪前接口模块和谱仪后接口模块集成谱仪系统相应传输导线接口，信号均通过接口模块输入输出谱仪系统。

优选方案中，所述射频场发生控制模块包括射频控制器、频率合成器、正交调制器、功率放大器和射频开关，根据计算机系统发出的指令，激发磁体系统的射频脉冲体线圈产生射频场。

优选方案中，所述信号接收控制模块包括前置放大器、衰减器、射频放大器、正交相敏检波器、音频放大器和模数转换器，接收射频脉冲体线圈感应出的核磁共振信号，通过调整动态范围，完成正交调制滤波、信号放大和模数转换，得到数字化磁共振信号。

优选方案中，所述梯度场发生控制模块包括梯度控制器和梯度放大器，根据计算机系统发出的指令，激发磁体系统的三维梯度线圈产生梯度场。

优选方案中，所述外保护壳和内保护壳采用具有强度和刚度的塑料材质。

优选方案中，所述上剪切盒、下剪切盒、剪切盒基座、旋转升降中轴、第一螺母、第二螺母和第三螺母采用非磁性材料。

优选方案中，一种测定孔隙水特征的环剪装置的测试方法，包括以下步骤：

1）安置好土样后开启仪器，调试完成后开始试验，计算机系统发送指令，控制环剪系统，使其正常工作（固结、剪切）；

2）计算机系统发送指令，谱仪系统的射频场发生控制模块根据指令发出射频场信号，激发磁体系统的射频脉冲体线圈产生射频场，使土样中水质子产生核磁共振信号；

3）与步骤2）同时，梯度场发生控制模块根据指令发出梯度场信号，激发磁体系统的三维梯度线圈产生梯度场，实现磁共振信号的空间编码；

4）射频场、梯度场、主磁场施加到土样中产生的磁共振信号，通过磁体接口模块和谱仪后接口模块接入到信号接收控制模块；

5）信号接收控制模块将磁共振信号转换为数字信号后，经谱仪前接口模块接入计算机系统；

6）计算机系统将步骤5）所得的信号处理分析，得到土样孔隙水分布和迁移特征图像和数据。

本发明有以下有益效果：

1）为土体环剪剪切强度特征机理解释中的孔隙水分布和迁移特征测定提供了有效的工具和方法；

2）试验过程中可全程实时监测土样中孔隙水的分布和迁移情况，通过计算机图像处理技术可得到全过程孔隙水特征变化图像和数据；

3）可实现非介入式测定剪切过程中孔隙水的分布和迁移特征，对土样没有扰动；

4）整个装置数字化、自动化程度高，测定速度快和可靠性高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的谱仪系统示意图。

图3为本发明的磁体系统横剖面示意图。

图4为本发明信号传输路径示意图。

图中：计算机系统1，磁体系统2，谱仪系统3，环剪系统4，空气压缩机5，谱仪前接口模块6，射频场发生控制模块7，信号接收控制模块8，梯度场发生控制模块9，谱仪后接口模块10，磁体接口模块11，外保护壳12，射频脉冲体线圈13，三维梯度线圈14，室温匀场线圈15，永磁体16，自屏蔽线圈17，内保护壳18，环剪接口模块19，上剪切盒20，下剪切盒21，剪切盒基座22，基础底座23，旋转升降中轴24，第一传输导线25，第二传输导线26，第三传输导线27，管道28，第一螺母29，第二螺母30，第三螺母31。

具体实施方式

参见图1~4中，一种测定孔隙水特征的环剪装置，包括以下部件：

计算机系统1，计算机系统1通过第一传输导线25与环剪系统4侧面的环剪接口模块19电连接，计算机系统1通过第二传输导线26与谱仪系统3的谱仪前接口模块6电连接，计算机系统1发送指令，实现对谱仪系统3和环剪系统4的运行控制、状态监测、信号处理、图像显示等；

磁体系统2，磁体系统2包括磁体接口模块11、外保护壳12、射频脉冲体线圈13、三维梯度线圈14、室温匀场线圈15、永磁体16、自屏蔽线圈17和内保护壳18，各部分依次连接固定，外保护壳12外侧设有磁体接口模块11；

谱仪系统3，谱仪系统3包括谱仪前接口模块6、射频场发生控制模块7、信号接收控制模块8、梯度场发生控制模块9和谱仪后接口模块10，谱仪系统3的谱仪后接口模块10通过第三传输导线27与磁体系统2外侧的磁体接口模块11电连接；

环剪系统4，环剪系统4包括上剪切盒20、下剪切盒21、剪切盒基座22、基础底座23和旋转升降中轴24，剪切盒基座22上侧设有磁体系统2，磁体系统2的外保护壳12通过第一螺母29与环剪系统4的剪切盒基座22固定连接。

优选方案中，环剪系统4的基础底座23包括驱动电机、数字伺服控制器和采集单元，可根据计算机系统1的指令实现位移、荷载、速率等自动控制和测量；基础底座23上侧设有剪切盒基座22，剪切盒基座22内设有孔隙水压传感器，可测知剪切过程中土中孔隙水压的变化，剪切盒基座22机械固定在基础底座23上；剪切盒基座22上侧设有下剪切盒21，下剪切盒21通过第二螺母30固定在剪切盒基座22上，土样剪切过程中保持不动；基础底座23中间设有旋转升降中轴24，旋转升降中轴24穿过剪切盒基座22的中心，顶端通过第三螺母31与上剪切盒20固定连接，可旋转带动上剪切盒20来剪切土样，同时可竖直升降并给土样施加法向应力；环剪系统4外侧通过管道28与空气压缩机5连接，空气压缩机5为环剪系统4提供必要气压力。

优选方案中，所述磁体系统2为空心结构，环剪系统4的上剪切盒20、下剪切盒21和旋转升降中轴24位于磁体系统2的内保护壳18内。

优选方案中，磁体接口模块11集成磁体系统2所有传输导线接口，信号均通过磁体接口模块11输入输出磁体系统2；射频脉冲体线圈13为LC谐振电路，可发射射频场信号以激励土样中水的质子产生共振，也可以接收被激励质子的进动信号，并且射频脉冲体线圈13带有射频屏蔽，为被测土样提供无干扰的测试环境；三维梯度线圈14可快速产生三个相互垂直方向上的具备一定场强和良好线性度的空间编码梯度磁场，并可叠加出任意方向的线性梯度磁场；室温匀场线圈15可产生若干动态匀场来均匀主磁场；永磁体16为环状实体，可产生均匀稳定高场强的主磁场；自屏蔽线圈17可使永磁体的磁场约束在一定范围内，使其不对外界产生不良影响，同时也避免外界对主磁场产生干扰，保证主磁场均匀稳定。

优选方案中，谱仪系统3的射频场发生控制模块7输入端连接谱仪前接口模块6，输出端连接谱仪后接口模块10；信号接收控制模块8输入端连接谱仪后接口模块10，输出端连接谱仪前接口模块6；梯度场发生控制模块9输入端连接谱仪前接口模块6，输出端连接谱仪后接口模块10；谱仪前接口模块6和谱仪后接口模块10集成谱仪系统3相应传输导线接口，信号均通过接口模块输入输出谱仪系统3。

优选方案中，射频场发生控制模块7包括射频控制器、频率合成器、正交调制器、功率放大器和射频开关；射频场发生控制模块7可根据由第二传输导线26和谱仪前接口模块6接收到的计算机系统1 发出的指令，发生射频场信号；再经谱仪后接口模块10、第三传输导线27、磁体接口模块11接入磁体系统2，激发射频脉冲体线圈13产生射频场，射频场施加到下剪切盒内的土样上时会引起土样中水质子发生磁共振现象，产生核磁共振信号。

优选方案中，信号接收控制模块8包括前置放大器、衰减器、射频放大器、正交相敏检波器、音频放大器和模数转换器；信号接收控制模块8可由第三传输导线27和谱仪后接口模块10接收射频脉冲体线圈13感应出的核磁共振信号，并调整动态范围，完成正交调制滤波、信号放大、模数转换等，得到数字化核磁共振信号，并由谱仪前接口模块6经第二传输导线26接入计算机系统1进行处理

优选方案中，梯度场发生控制模块9包括梯度控制器和梯度放大器；梯度场发生控制模块9可根据由第二传输导线26和谱仪前接口模块6接收到的计算机系统1 发出的指令，发生梯度场信号；再经谱仪后接口模块10、第三传输导线27和磁体接口模块11接入磁体系统2，激发三维梯度线圈14产生梯度场；梯度场随空间位置的变化而变化，使土样各部位经受的磁场环境出现微小差别，即使得核磁共振频率出现差别，从而来进行核磁共振信号的空间定位。

优选方案中，外保护壳12和内保护壳18采用具有强度和刚度的塑料材质，保护磁体系统2的主体。

优选方案中，上剪切盒20、下剪切盒21、剪切盒基座22、、旋转升降中轴24、第一螺母29、第二螺母30和第三螺母31采用非磁性材料，避免干扰，保证主磁场的稳定性。

优选方案中，一种测定孔隙水特征的环剪装置的测试方法，包括以下步骤：

1）安置好土样后开启仪器，调试完成后开始试验，计算机系统1发送指令， 4环剪系统，使其正常工作（固结、剪切）；

2）计算机系统1发送指令，谱仪系统3的射频场发生控制模块7根据指令发出射频场信号，激发磁体系统2的射频脉冲体线圈13产生射频场，使土样中水质子产生核磁共振信号；

3）与步骤2）同时，梯度场发生控制模块9根据指令发出梯度场信号，激发磁体系统2的三维梯度线圈14产生梯度场，实现磁共振信号的空间编码；

4）射频场、梯度场、主磁场施加到土样中产生的磁共振信号，通过磁体接口模块11和谱仪后接口模块10接入到信号接收控制模块8；

5）信号接收控制模块8将磁共振信号转换为数字信号后，经谱仪前接口模块6接入计算机系统1；

6）计算机系统1将步骤5）所得的信号处理分析，得到土样孔隙水分布和迁移特征图像和数据。

本发明的工作过程如下：

1）将安放有试验土样的下剪切盒21通过第二螺母30固定在剪切盒基座22上，再将上剪切盒20通过第三螺母31安装固定在基础底座23中旋转升降中轴24的顶部，然后将磁体系统2通过第一螺母29安装固定在剪切盒基座22上；

2）开启仪器，打开计算机系统1中控制环剪系统4和控制磁体系统2、谱仪系统3的相关软件，开始试验；

3）试验过程中不仅可以记录土样在固结、剪切阶段的应力、应变等特征，同时可记录土样中水的分布和迁移特征图像。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种测定孔隙水特征的环剪装置，其特征是包括以下部件：

计算机系统（1），计算机系统（1）与环剪系统（4）侧面的环剪接口模块（19）电连接，计算机系统（1）与谱仪系统（3）的谱仪前接口模块（6）电连接；

磁体系统（2），磁体系统（2）包括磁体接口模块（11）、外保护壳（12）、射频脉冲体线圈（13）、三维梯度线圈（14）、室温匀场线圈（15）、永磁体（16）、自屏蔽线圈（17）和内保护壳（18），各部分依次连接固定，外保护壳（12）外侧设有磁体接口模块（11）；

谱仪系统（3），谱仪系统（3）包括谱仪前接口模块（6）、射频场发生控制模块（7）、信号接收控制模块（8）、梯度场发生控制模块（9）和谱仪后接口模块（10），谱仪系统（3）的谱仪后接口模块（10）与磁体系统（2）外侧的磁体接口模块（11）电连接；

环剪系统（4），环剪系统（4）包括上剪切盒（20）、下剪切盒（21）、剪切盒基座（22）、基础底座（23）和旋转升降中轴（24），剪切盒基座（22）上侧设有磁体系统（2），磁体系统（2）的外保护壳（12）与环剪系统（4）的剪切盒基座（22）固定连接；

所述的测定孔隙水特征的环剪装置的测试方法，包括以下步骤：

1）安置好土样后开启仪器，调试完成后开始试验，计算机系统（1）发送指令，控制环剪系统（4），使其正常工作；

2）计算机系统（1）发送指令，谱仪系统（3）的射频场发生控制模块（7）根据指令发出射频场信号，激发磁体系统（2）的射频脉冲体线圈（13）产生射频场，使土样中水质子产生核磁共振信号；

3）与步骤2）同时，梯度场发生控制模块（9）根据指令发出梯度场信号，激发磁体系统（2）的三维梯度线圈（14）产生梯度场，实现磁共振信号的空间编码；

4）射频场、梯度场、主磁场施加到土样中产生的磁共振信号，通过磁体接口模块（11）和谱仪后接口模块（10）接入到信号接收控制模块（8）；

5）信号接收控制模块（8）将磁共振信号转换为数字信号后，经谱仪前接口模块（6）接入计算机系统（1）；

6）计算机系统（1）将步骤5）所得的信号处理分析，得到土样孔隙水分布和迁移特征图像和数据。

2.根据权利要求1所述的一种测定孔隙水特征的环剪装置，其特征是：所述环剪系统（4）的基础底座（23）上侧设有剪切盒基座（22），剪切盒基座（22）机械固定在基础底座（23）上，剪切盒基座（22）内设有孔隙水压传感器；剪切盒基座（22）上侧设有下剪切盒（21），下剪切盒（21）通过第二螺母（30）固定在剪切盒基座（22）上；基础底座（23）中间设有旋转升降中轴（24），旋转升降中轴（24）穿过剪切盒基座（22）的中心，顶端通过第三螺母（31）与上剪切盒（20）固定连接；环剪系统（4）外侧通过管道（28）与空气压缩机（5）连接。

3.根据权利要求1所述的一种测定孔隙水特征的环剪装置，其特征是：所述磁体系统（2）为空心结构，环剪系统（4）的上剪切盒（20）、下剪切盒（21）和旋转升降中轴（24）位于磁体系统（2）的内保护壳（18）内。

4.根据权利要求1所述的一种测定孔隙水特征的环剪装置，其特征是：所述谱仪系统（3）的射频场发生控制模块（7）输入端连接谱仪前接口模块（6），输出端连接谱仪后接口模块（10）；信号接收控制模块（8）输入端连接谱仪后接口模块（10），输出端连接谱仪前接口模块（6）；梯度场发生控制模块（9）输入端连接谱仪前接口模块（6），输出端连接谱仪后接口模块（10）；谱仪前接口模块（6）和谱仪后接口模块（10）集成谱仪系统（3）相应传输导线接口，信号均通过接口模块输入输出谱仪系统（3）。

5.根据权利要求1所述的一种测定孔隙水特征的环剪装置，其特征是：所述射频场发生控制模块（7）包括射频控制器、频率合成器、正交调制器、功率放大器和射频开关，根据计算机系统（1）发出的指令，激发磁体系统（2）的射频脉冲体线圈（13）产生射频场。

6.根据权利要求1所述的一种测定孔隙水特征的环剪装置，其特征是：所述信号接收控制模块（8）包括前置放大器、衰减器、射频放大器、正交相敏检波器、音频放大器和模数转换器，接收射频脉冲体线圈（13）感应出的核磁共振信号，通过调整动态范围，完成正交调制滤波、信号放大和模数转换，得到数字化磁共振信号。

7.根据权利要求1所述的一种测定孔隙水特征的环剪装置，其特征是：所述梯度场发生控制模块（9）包括梯度控制器和梯度放大器，根据计算机系统（1）发出的指令，激发磁体系统（2）的三维梯度线圈（14）产生梯度场。

8.根据权利要求1所述的一种测定孔隙水特征的环剪装置，其特征是：所述外保护壳（12）和内保护壳（18）采用具有强度和刚度的塑料材质。

9.根据权利要求1所述的一种测定孔隙水特征的环剪装置，其特征是：所述上剪切盒（20）、下剪切盒（21）、剪切盒基座（22）、旋转升降中轴（24）、第一螺母（29）、第二螺母（30）和第三螺母（31）采用非磁性材料。

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