CN111795990B - 一种基于核磁共振技术测定岩土体中水分迁移过程的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于核磁共振技术无损测定岩土体中水分迁移过程的方法，至少包括以下步骤：利用标定用岩土试样建立核磁共振信号幅度和试样所处位置以及水含量间的函数关系；对土样进行一维入渗实验和分段测试，记录入渗时间、入渗水质量和不同位置条件下试样的核磁共振信号量；在合理的范围内假设所有试样中水分的质量和空间分布的近似解，根据标定模块所得函数关系，计算理论信号量，并与测试模块中的实测信号量进行对比，在误差允许范围内，选择二者间误差最小的一组近似解。

Description

一种基于核磁共振技术测定岩土体中水分迁移过程的方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种基于核磁共振技术无损测定岩土体中水分迁移过程的方法。

背景技术

水分是导致非饱和土体性状改变的主要因素，水分的迁移变化会影响土体的强度及变形，对土体内部水分的变化过程进行研究，了解水分在非饱和土体中的迁移规律，能更合理地解释土体遇水后自身性状改变的主要原因，对保证工程稳定性有着十分重要的意义。

目前测试土体的水分迁移过程一般采用吸渗法，需要将土体进行重塑或进行原位试验。具体过程为：①将土样经过风干磨碎后，过2mm孔径筛；②按照实测容重将土样填装到测试扩展槽内；③瞬时给进水室充水并使供水装置定位，同时记录起始时间和供水箱的初始水位；④待湿润峰到达土柱末端，记录从开始扩散到扩散结束的时间和入渗水量。

自然界中的一些特殊土，例如处于岩石和土过渡状态的“软岩-硬土”，一旦破碎，就无法重塑，不能按照传统方法进行测定。即便可以重塑，此类岩土体在重塑后，由于改变了原状岩土体的微观结构，与原状土性质差别很大，则测试结果无法体现土体在原有结构下的导水性质，测试结果在工程应用中可能产生严重的问题。

在进行核磁共振测试时，由于泥岩中束缚水的横向弛豫时间较短(仅为1ms左右)，而自由水的横向驰豫一般为30-1000ms，采用现有的核磁共振仪进行分段测试时，也不能采用附加磁场梯度的方法进行解决。

因此极有必要采用新的技术方法，革新测定此类特殊岩土体水分扩散率的方法。核磁共振(NMR)技术可以在无损土体原有结构的条件下测量非饱和土体水含量，从而监测非饱和土体的水分迁移过程。本专利根据水分在非均匀磁场的信号量衰减变化规律，进行泥岩水分迁移核磁共振试验的分段测试，从而可以确定了各时刻水分在土体内部的空间分布。

本发明是在国家自然科学基金资助项目(41771083)；高速铁路轨道技术国家重点实验室(中国铁道科学研究院)开放课题基金(2017YJ165)的资助下取得的成果，具有重要的理论意义和工程实用价值。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：自然界中的一些特殊土，例如处于岩石和土过渡状态的“软岩-硬土”，在测试非饱和状态下水分迁移过程时，无法直接观测到其内部水分入渗量和湿润前锋位置的变化，因而使用传统方法较难测试其原状土体的水分迁移过程。借助NMR技术可以在不损坏试样的前提下，直接测试任意时刻下各个分段的水分质量和其湿润前锋位置，准确快速的测定岩土体的水分迁移过程，从而更好解释土体遇水后的力学特性变化的原因。该方法针对原状土体和重塑土体都适用。

为实现此目的，本发明提供了一种基于核磁共振技术无损测定岩土体中水分迁移过程的方法，解决了传统方法无法直接测试自然界中一些特殊原状岩土体非饱和状态下水分迁移过程的问题，基于水分在非均匀磁场的信号量衰减变化规律，确定任一时刻水分在土体内部的空间分布。

本发明提出了一种基于核磁共振技术无损测定岩土体中水分迁移过程的方法，至少包括以下步骤：利用标定用岩土试样建立核磁共振信号幅度和试样所处位置以及水含量间的函数关系；对土样进行一维入渗实验和分段测试，记录入渗时间、入渗水质量和不同位置条件下试样的核磁共振信号量；在合理的范围内假设所有试样中水分的质量和空间分布的近似解，根据所得函数关系，计算理论信号量，并与实测信号量进行对比，在误差允许范围内，选择二者间误差最小的一组近似解。

根据一种优选实施方式，所述方法还包括：通过逐步改变测试土体的测试位置，利用土体内部水分在非均匀磁场区产生的磁体信号衰减变化特征与规律，获得不同测试位置情况下的核磁共振信号量。

根据一种优选实施方式，所述磁体信号衰减变化特征与规律包括通过在不同磁场位置下对处于不同含水状态下的标定用岩土试样进行核磁共振测试，得到标定用岩土试样中水分在核磁共振仪的均匀磁场的信号量分布规律和在非均匀磁场下的信号量分布规律。

根据一种优选实施方式，岩土体中水分迁移过程的计算包括至少一个以下步骤：预先假定出各层位的水含量的近似解；根据所得的核磁共振信号幅度和试样所处位置以及水含量间的函数关系N＝f(m_w,Y)曲线，计算每组近似解所对应的理论信号量；逐个计算实测信号量与理论信号量之间的误差；在误差允许范围内，选择误差最小的一组近似解作为最优解。

根据一种优选实施方式，所述对岩土试样进行分段测试的过程是通过改变土柱试样在磁场中的位置，以使得岩土试样的若干分段中的至少一个分段处于非均匀磁场区中，以此来分别测试不同位置条件下土柱的NMR信号量。

根据一种优选实施方式，利用标定用岩土试样所建立的磁场信号衰减变化规律的表达式为：

f₁(m_w) Y∈[0,Y₁]

N_e＝f(m_w,Y)＝f₂(m_w,Y) Y∈[Y₁,Y₂]

0 Y∈[Y₂,∞]

其中：N_e为非均匀区任一点单位水含量的NMR信号量；m_w为渗入土柱内的水含量，g；Y为测试位置，mm。

本申请还提出了一种基于核磁共振技术无损测定岩土体中水分迁移过程的系统，所述系统包括：标定模块，其被配置为利用标定用岩土试样建立核磁共振信号幅度和试样所处位置以及水含量间的函数关系；测试模块，其被配置为对土样进行一维入渗实验和不同位置的核磁共振测试，记录入渗时间、入渗水质量和不同位置条件下试样的核磁共振信号量；计算模块，其被配置为在合理的范围内假设所有试样中水分的质量和空间分布的近似解，根据标定模块所得的函数关系，计算理论信号量，并与测试模块中的实测信号量进行对比，在误差允许范围内，选择二者间误差最小的一组近似解。

根据一种优选实施方式，通过逐步改变测试土体的测试位置，所述计算模块利用土体内部水分在非均匀磁场区产生的磁体信号衰减变化特征与规律，获得不同测试位置情况下的核磁共振信号量。

根据一种优选实施方式，所述计算模块基于磁共振信号量-水含量关系，将NMR信号量换算为水含量，获得不同时刻下待测试岩石试样的湿润前锋位置与水分迁移的变化过程。

根据一种优选实施方式，所述磁体信号衰减变化特征与规律包括通过在不同磁场位置下对处于不同含水状态下的标定用岩土试样进行核磁共振测试，由所述标定模块所得到的标定用岩土试样中水分在核磁共振仪的均匀磁场下的信号量分布规律和在非均匀磁场下的信号量分布规律。

为解决传统方法较难测试原状土体的水分迁移过程的问题,本发明所采用的技术方案如下：

1.标定模块利用标定用岩土试样建立核磁共振信号幅度和试样所处位置以及水含量间的函数关系。具体步骤为：

[1]准备一个10mm×10mm×10mm的正方体泥岩试样,并在烘干箱中烘干；

[2]采用万分之一感量天平，测定正方体试样的初试质量m₀和在均匀磁场内的初始NMR信号幅度N₀；

[3]给试样滴入少量的水，待起完全渗透进入试样，测定其质量m₁和均匀磁场中的NMR信号幅度N₁；

[4]变换试样在核磁共振设备中的测试位置Y，逐步至非均匀磁场中，并记录NMR信号幅度N_i(i＝2，3，4，……)；

[5]建立NMR信号幅度N_i和试样所处位置Y以及水含量m_w间的函数关系N＝f(m_w,Y)，即试样在在非均匀磁场中的NMR信号幅度衰减变化曲线。

2.测试模块对土样进行一维入渗实验和分段测试，记录入渗时间、入渗水质量和不同位置条件下试样的核磁共振信号量。具体步骤为：

[1]将质地均一的泥岩加工成长条形棱柱或者圆柱；

[2]在水分入渗前，测定并记录岩柱的干质量和NMR初始信号幅度；

[3]进行一维水分迁移实验，并在一段时间(约15min左右)后将土柱取出，记录土柱的质量变化及时间，计算出入渗水分质量；

[4]逐步改变试样在磁场中的位置，测试并记录NMR信号幅度；

[5]每间隔一定时间(约60min左右)，重复步骤[3]和[4]，测试并记录试样的NMR信号幅度。

3.计算模块：

[1]在合理的范围内假设试样中水分的质量和空间分布的所有近似解；

[2]根据标定模块所得函数关系N＝f(m_w,Y)，将所有的近似解代入，计算获得所有可能的理论信号量；

[3]将计算理论信号量与测试模块中的实测信号量进行对比，选择二者间误差最小的一组近似解作为最优解；

[4]如果该最优解需要允许误差，则计算结束，否则转入步骤[1]～[3]重新假设计算。

本发明的有益技术效果在于：

[1]将NMR技术与水分迁移试验的结合，实现了对无法重塑的特殊土在非饱和条件下土体的水分迁移的无损测试与计算；

[2]测定了核磁共振仪的磁体信号分布状态，利用非均匀区磁场的信号量衰减规律，确定了各时刻水分在土体内部的空间分布；

[3]通过在非均匀磁场中对土样进行不同位置的测试，获得任一时刻下土柱试样的水分迁移变化情况。

附图说明

图1是本发明提供的土柱入渗装置的简化整体结构示意图；

图2是本发明提供的核磁共振仪磁体测试信号量原理示意图；

图3是本发明提供的测试土柱试样的简化整体结构示意图；

图4是本发明提供的NMR信号量N在磁场不同位置Y的分布规律示意图；

图5是本发明提供的土柱水分迁移NMR信号量计算原理图；

图6是本发明提供的计算原理图；

图7是本发明提供的计算原理流程图；

图8是MicroMR12-025V型核磁共振仪的NMR信号量衰减规律示意图；

图9是第1次测试计算信号量与实测信号量对比示意图；

图10是第2次测试计算信号量与实测信号量对比示意图；

图11是第3次测试计算信号量与实测信号量对比示意图；

图12是第4次测试计算信号量与实测信号量对比示意图；

图13是本发明提供的基于核磁共振技术无损测定岩土体中水分迁移过程的系统的简化模块连接示意图。

附图标记列表

1：马氏瓶 2：过渡水室

3：测试土柱 4：核磁共振仪磁体

101：标定模块 102：测试模块

103：计算模块

具体实施方式

本发明提供了一种基于核磁共振技术无损测定岩土体中水分迁移过程的方法，主要用于测试原状非饱和土体在一维入渗条件下的水分迁移过程中的水分扩散率。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如下先对本发明说明书及附图中所涉及到的符号进行说明：

一、试验数据测试步骤

本发明的实施主要分为两个实验过程：(1)将岩土试样放置在非均匀磁场的不同位置，测试获得核磁共振信号幅度和试样水含量间的函数关系，以下简称标定实验；(2)对土样进行一维入渗实验和分段测试，记录入渗时间、入渗水质量和不同位置条件下试样的核磁共振信号量，以下简称测试实验。

1.1标定实验

[1]准备一个10mm×10mm×10mm的正方体泥岩试样,并在烘干箱中烘干。

[2]采用万分之一感量天平，测定正方体试样的初试质量m₀和在均匀磁场内的初始NMR信号幅度N₀。

[3]给试样滴入少量的水，待起完全渗透进入试样，测定其质量m₁和均匀磁场中的NMR信号幅度N₁。

[4]变换试样在核磁共振设备中的测试位置Y，逐步至非均匀磁场中，并记录起NMR信号幅度N_i(i＝2，3，4，……)。

[5]建立NMR信号幅度N_i和试样所处位置Y以及水含量m_w间的函数关系N＝f(m_w,Y)，即试样在非均匀磁场中的NMR信号幅度衰减变化曲线。

核磁共振仪具有均匀磁场区和非均匀磁场区，对水分产生磁共振信号量会有所不同，如图2所示。若要准确测试水分在土体内的迁移变化过程，应分别对均匀区和非均匀区的信号量进行量化测定，从而利用其分布规律确定土体内部水分的空间分布。

根据核磁共振仪的磁场信号衰减变化特征，信号量变化规律的表达式为

其中：[0,Y₁]为均匀磁场区；[Y₁,Y₂]为非均匀磁场区；[Y₂,∞]为无信号区。

本次实验以MicroMR12-025V型核磁共振仪为例，共进行3次平行实验，根据3次平行实验的均值，标定该设备的单位质量水含量的信号量在磁场位置中的分布规律如图8所示：

根据试验结果对核磁共振仪的信号量分布规律进行拟合，其中非均匀区信号量衰减规律采用GaussAmp函数进行拟合：

N_e＝a+bexp(-(Y-c)²/2d²) (2)

其中：N_e为非均匀区任一点单位水含量的信号量；

Y为土柱在磁场中的测试坐标位置；

a、b、c、d为待定系数。

因此，求得单位水含量的磁场信号衰减变化规律的表达式为：

进而得到试样在该设备的磁共振信号衰减变化规律的表达式为：

N＝N_em_w。 (4)

其中：N为土柱内水分的总信号量；

m_w为渗入土柱内的水含量，g。

1.2测试实验

[1]将质地均一且初始含水率均一的泥岩加工成10mm×10mm×30mm的长条形棱柱，如图1。

[2]在水分入渗前，测定并记录岩柱的干质量m₀和NMR初始信号幅度N₀，见表1。

[3]进行一维水分迁移实验，并在一段时间(约15min左右)后将土柱取出，记录土柱的质量变化及时间，计算出入渗水分质量，见表2。

[4]按照图5-1所示的方法，逐步改变试样在磁场中的位置，测试并记录NMR信号幅度，见表3。

[5]每间隔一定时间(约60min左右)，重复步骤[3]和[4]，测试并记录试样的NMR信号幅度，见表3。

表1测试土样的基本实验数据

通过对试样进行水分迁移试验得出的试验数据如表2所示。

表2水分迁移试验数据

表3不同位置测试的实测信号量增加值

二、计算原理和方法

[1]在合理的范围内假设试样中水分的质量和空间分布的所有近似解。

将土柱分为n段，编号为P₁，P₂，P₃，……，P_n，如图1和3所示。

假设第P₁，P₂，P₃段中都含有水分，水分质量为m₁，m₂，m₃。

令m₂＝k₁m₁，m₃＝k₂m₂，则根据水分迁移的过程，后面土柱的水分质量不能超过前面土柱中的水分质量，则有0＜k₁≤1，0≤k₂≤1；

且每次实验入渗水的质量m为已知，则有：

m＝m₁+m₂+m₃。

可得到：

m＝m₁+k₁m₁+k₂k₁m₁。

整理得到：

假设k₁从0开始取值，精度为0.001，则k₁的可能近似解为0到1之间[0.000,0.001,0.002,0.003,……，1.000]中的某一数值k₁ ^*。

同理，k₂的可能近似解也是0到1之间[0.000,0.001,0.002,0.003,……，1.000]中的某一数值k₂ ^*。

则所有的可能解都包含中k₁和k₂的所有的组合中，每一组组合都是一组近似解。

需要说明的是，这里为举例方便，仅列出假设土柱中P₁，P₂，P₃段有水的情况，这个数量可以任意增加或者减少，计算原理是一样的。

[2]根据标定模块所得函数关系，将所有的近似解代入，计算获得所有可能的理论信号量。

则在4个位置的理论信号幅值应为：

其中，Y₁，Y₂，Y₃，为土柱试样第P₁，P₂，P₃段中心在磁场中的位置坐标。

按照上一步对所有近似解的求解，计算出每组近似解对应的理论信号量为[N₁,N₂,N₃,N₄]，如图6所示。

[3]将计算理论信号量与测试模块中的实测信号量进行对比，选择二者间误差最小的一组近似解作为最优解。

那么水分迁移的这样一个物理问题则可以归结为这样一个数学问题：在[0,1]中选择一个合适的k₁和k₂值，能够使计算信号幅度与实测信号幅度基本相同，即理论计算信号量于实测信号量间的误差最小，数学表达式为：

N_err＝min{[N₁,N₂,N₃,N₄]-[Nr₁,Nr₂,Nr₃,Nr₄]}。 (7)

按照这个方法，计算第1次测试(T＝15min)的最优解为k₁＝0，k₂＝0。即水分只集中在土柱的第1部分。

根据式(7)，计算获得各位置的理论信号幅度，如表4所示。对比实测信号幅度和理论信号幅度的误差，最大误差为5.69％，总体上标准差为1.83％。如图9所示，计算信号幅度与实测信号幅度基本相同，因此可以认为水分处于土柱第1段中。

因此，求得此时第1段的水含量为0.0811g。

表4第1次测试(T＝0.25h)理论信号量和实测信号量结果

根据式(7)，计算获得各位置的理论信号幅度，如表5所示。经计算，当k₁＝0.506,k₂＝0时，计算得到的信号幅度与实测信号幅度最为接近，如图10所示。

表5第2次测试(T＝1.25h)理论信号量和实测信号量结果

所以，求得此时第1，2部分的水分质量为：

m₁＝0.1212/(1+0.506)＝0.0805g，

m₂＝0.506×0.1212/(1+0.506)＝0.0407g。

表6第3次测试(T＝2.5h)理论信号量和实测信号量结果

根据式(7)，计算获得各位置的理论信号幅度，如表6所示。经计算，当k₁＝0.662,k₂＝0时，计算得到的信号幅度与实测信号幅度最为接近，如图11所示。

因此，求得此时各层的水含量为：

m₁＝0.1551/(1+0.662)＝0.0933g，

m₂＝0.662×0.1551/(1+0.662)＝0.0618g。

根据式(7)，计算获得各位置的理论信号幅度，如表7所示。经计算，当k₁＝1,k₂＝0.547时，计算得到的信号幅度与实测信号幅度最为接近，如图12所示。

表7第4次测试(T＝6h)理论信号量和实测信号量结果

因此，求得此时各层的水含量为：

m₁＝0.2352/(1+1+0.5475)＝0.0923g，

m₂＝k₁m₁＝0.0923g，

m₃＝k₂m₂＝0.0505g。

三、结果验证

为验证该方法的有效性，采用烘干法与本文提出的方法进行对比。

同时将土柱试样的各个分层进行切分，并用烘干法测量每个分层的实际含水量。烘干试验结果如表8所示。

表8烘干法测试结果与NMR测试结果的对比

根据烘干法的测试结果，实测土柱各段的水含量与NMR测试结果的最大误差为4.05％，说明了本测试分析方法较为精确。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于核磁共振技术无损测定岩土体中水分迁移过程的方法，其特征在于至少包括以下步骤：

利用标定用岩土试样建立核磁共振信号幅度和试样所处位置以及水含量间的函数关系；

对待测试样进行一维入渗实验和分段测试，记录入渗时间、入渗水质量和不同位置条件下待测试样的核磁共振信号量；

在合理的范围内假设所有待测试样中水分的质量和空间分布的近似解，根据所得函数关系，计算理论信号量，并与实测信号量进行对比，在误差允许范围内，选择二者间误差最小的一组近似解，

其中，不同位置条件下待测试样的核磁共振信号量至少包含所述待测试样在经过非均匀磁场的不同位置所产生的核磁共振信号量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述方法还包括：通过逐步改变待测试样的测试位置，利用土体内部水分在非均匀磁场区产生的磁体信号衰减变化特征与规律，获得不同测试位置情况下的核磁共振信号量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述磁体信号衰减变化特征与规律包括通过在不同磁场位置下对处于不同含水状态下的标定用岩土试样进行核磁共振测试，得到标定用岩土试样中水分在核磁共振仪的均匀磁场的信号量分布规律和在非均匀磁场下的信号量分布规律。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，岩土体中水分迁移过程的计算包括至少一个以下步骤：

预先假定出各层位的水含量的近似解；

根据所得的核磁共振信号幅度和待测试样所处位置以及水含量间的函数关系N＝f(m_w,Y)曲线，计算每组近似解所对应的理论信号量；

逐个计算实测信号量与理论信号量之间的误差；

在误差允许范围内，选择误差最小的一组近似解作为最优解。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述对待测试样进行分段测试的过程是通过改变待测试样在磁场中的位置，以使得待测试样的若干分段中的至少一个分段处于非均匀磁场区中，以此来分别测试不同位置条件下待测试样的NMR信号量。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征是，利用标定用岩土试样所建立的磁场信号衰减变化规律的表达式为：

f₁(m_w) Y∈[0,Y₁]

N_e＝f(m_w,Y)＝f₂(m_w,Y) Y∈[Y₁,Y₂]

0 Y∈[Y₂,∞]

其中：N_e为非均匀区任一点单位水含量的NMR信号量；m_w为渗入土柱内的水含量，g；Y为测试位置，mm。

7.一种基于核磁共振技术无损测定岩土体中水分迁移过程的系统，其特征在于至少包括：

标定模块(101)，其被配置为利用标定用岩土试样建立核磁共振信号幅度和试样所处位置以及水含量间的函数关系；

测试模块(102)，其被配置为对待测试样进行一维入渗实验和不同位置的核磁共振测试，记录入渗时间、入渗水质量和不同位置条件下待测试样的核磁共振信号量；

计算模块(103)，其被配置为在合理的范围内假设所有待测试样中水分的质量和空间分布的近似解，根据标定模块(101)所得的函数关系，计算理论信号量，并与测试模块(102)中的实测信号量进行对比，在误差允许范围内，选择二者间误差最小的一组近似解，

其中，不同位置条件下待测试样的核磁共振信号量至少包含所述待测试样在经过非均匀磁场的不同位置所产生的核磁共振信号量。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征是，通过逐步改变待测试样的测试位置，所述计算模块(103)利用土体内部水分在非均匀磁场区产生的磁体信号衰减变化特征与规律，获得不同测试位置情况下的核磁共振信号量。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征是，所述计算模块基于磁共振信号量-水含量关系，将NMR信号量换算为水含量，获得不同时刻下待测试样的湿润前锋位置与水分迁移的变化过程。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征是，所述磁体信号衰减变化特征与规律包括通过在不同磁场位置下对处于不同含水状态下的标定用岩土试样进行核磁共振测试，由所述标定模块(101)得到标定用岩土试样中水分在核磁共振仪的均匀磁场下的信号量分布规律和在非均匀磁场下的信号量分布规律。

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