CN113758624A - 一种结合nmr技术的膨胀土膨胀力测试系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试系统和方法，本系统包括：核磁共振装置、膨胀土夹持装置、数据处理系统、恒温装置和供水装置；恒温装置控制测试温度；供水装置用于向膨胀土样通入测试水分；核磁共振装置用于获取土样含水率变化数据和土层含水率变化数据；膨胀土夹持装置用于获取土样温度信号和土样压力信号；数据处理系统用于得到土样膨胀力‑含水率分布数据和土层膨胀力‑含水率分布数据。本方法包括获取土样含水率变化数据和土层含水率变化数据；获得膨胀土样膨胀力数据；得到土样膨胀力‑含水率分布数据和土层膨胀力‑含水率分布数据。本申请能够无损测量土样、土层含水率及分布，能够获取膨胀土样各截面的含水率的动态变化。
Description
技术领域
本申请属于岩土试验技术领域，具体涉及一种结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试系统和方法。
背景技术
膨胀性土在自然界中广泛分布，由于其特殊的遇水(湿气)膨胀特性，这种特性既能导致地基、路堤、边坡或渠道的破坏，也能用于作为隔离污染物的阻隔材料和废物处置的缓冲/回填材料。膨胀力作为界定膨胀土膨胀特性的一个关键性指标，准确的测量湿化过程中膨胀力的变化对避免工程灾害是十分有必要的。以往的研究大多集中在直接测试浸水饱和状态的膨胀力，而膨胀过程中土体的水分分布变化与膨胀力直接相关，受限于测试技术，这方面的研究较少，需要开展大量的研究以获得膨胀土饱和过程中的水分分布与膨胀力变化的关系。
膨胀力随含水率增加并非的单调增加，其变化与土体吸水过程中水分分布有关，土体中含水率的分布直接影响膨胀力的数值变化。膨胀力-含水率的大小及分布的时间历程变化的研究是指测试膨胀土在吸水过程中膨胀力及含水率随时间的变化。在现有的技术中，很难直接﹑无损的获取其膨胀力与含水率的大小及分布的时序变化规律。
发明内容
本申请提出了一种结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试系统和方法，结合NMR技术，获取膨胀土样随着吸入水分的增加，得到膨胀土样中含水率分布，结合因吸水而产生的膨胀力变化，获得膨胀力-含水率分布数据。
为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
一种结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试系统，包括：核磁共振装置、膨胀土夹持装置、数据处理系统、恒温装置、供水装置；
所述膨胀土夹持装置分别连接所述数据处理系统、所述恒温装置、所述供水装置和所述核磁共振装置；
所述膨胀土夹持装置为中空结构，测试用的膨胀土样位于所述膨胀土夹持装置内部；
所述膨胀土夹持装置用于形成所述膨胀土样的膨胀力测试环境，并获取所述膨胀土样在膨胀力测试过程中的土样温度信号和土样压力信号；
所述恒温装置用于控制所述膨胀土夹持装置的测试温度；
所述供水装置用于向所述膨胀土夹持装置内部的所述膨胀土样通入测试水分；
所述核磁共振装置用于获取所述膨胀土样的土样含水率变化数据和土层含水率变化数据；
所述数据处理系统用于通过所述土样含水率变化数据、所述土层含水率变化数据、所述土样温度信号和所述土样压力信号，得到所述膨胀土样的土样膨胀力-含水率分布数据和土层膨胀力-含水率分布数据。
优选的，所述核磁共振装置为低场核磁共振仪；
所述低场核磁共振仪用于向所述膨胀土夹持装置内的所述膨胀土样施加CPMG脉冲序列，获得所述土样含水率变化数据；
所述低场核磁共振仪还用于向所述膨胀土夹持装置内的所述膨胀土样施加分层扫描序列，获得所述土层含水率变化数据。
优选的，所述膨胀土夹持装置包括试样腔、控温腔、土样温度监测模块、土样压力监测模块；
所述土样温度监测模块用于探测所述膨胀土样的温度，得到所述土样温度信号；
所述土样压力监测模块用于探测所述膨胀土样的压力，得到所述土样压力信号；
所述试样腔为中空结构，所述土样温度监测模块位于所述试样腔的一端，所述土样压力监测模块位于所述试样腔的另一端；所述膨胀土样位于所述试样腔内，并位于所述土样温度监测模块和所述土样压力监测模块之间；
所述控温腔与所述恒温装置连接，所述控温腔用于维持所述试样腔的温度。
优选的，所述膨胀土夹持装置还包括水循环组件；
所述水循环组件位于所述膨胀土样的一端；
所述水循环组件与所述供水装置连接，所述水循环组件用于接收所述测试水分并向所述膨胀土样通入所述测试水分。
优选的，所述供水装置包括蠕动泵和蓄水装置；
所述蠕动泵分别与所述蓄水装置和所述水循环组件连接，所述蓄水装置还与所述水循环组件连接；
所述蠕动泵用于将所述蓄水装置中的所述测试水分泵入所述水循环组件中。
优选的，所述恒温装置包括温度控制组件、加热组件、温度感应组件和温控液体；
所述温度控制组件分别与所述加热组件和所述温度感应组件相连接；
所述温度感应组件用于监测所述温控液体的温度，得到温控液体温度数据；
所述温度控制组件用于根据所述温控液体温度数据控制所述加热组件对所述温控液体进行加热。
所述膨胀土夹持装置的所述控温腔为中空结构，所述温控液体用于进入所述控温腔，并通过所述控温腔维持所述试样腔的温度。
优选的，所述数据处理系统包括温度采集模块、膨胀力采集模块和数据处理模块；
所述温度采集模块和所述膨胀力采集模块均与所述数据处理模块连接；
所述温度采集模块与所述土样温度监测模块连接，所述温度采集模块用于根据所述土样温度信号得到土样测试温度；
所述膨胀力采集模块与所述土样压力监测模块连接，所述膨胀力采集模块用于根据所述土样压力信号获得土样膨胀力；
所述数据处理模块用于根据所述土样含水率变化数据、所述土层含水率变化数据、所述土样测试温度和所述土样膨胀力，得到所述土样测试温度下所述膨胀土样的土样膨胀力-含水率分布数据和土层膨胀力-含水率分布数据。
本申请还公开了一种结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试方法，包括如下步骤：
获取测试用的膨胀土样的土样含水率变化数据和土层含水率变化数据；
当所述膨胀土样达到预设温度时，向所述膨胀土样通入测试水分，获得所述膨胀土样因吸收水分而产生的膨胀力数据及所述膨胀土样的测试温度数据；
根据所述土样含水率变化数据、所述膨胀力数据和所述测试温度数据，得到土样膨胀力-含水率分布数据，根据所述土层含水率变化数据、所述膨胀力数据和所述测试温度数据，得到土层膨胀力-含水率分布数据，完成膨胀土样膨胀力测试。
优选的，获取所述土样含水率变化数据和所述土层含水率变化数据的方法包括：
获取所述膨胀土样的横向衰减曲线；
对所述横向衰减曲线进行反演，得到所述膨胀土样的土样含水率变化数据；
对所述膨胀土样施加分层扫描序列，得到所述土层含水率变化数据。
本申请的有益效果为：
本申请公开了一种结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试系统和方法，随着膨胀土样吸入水分的增加，通过NMR技术获取在某一温度下膨胀土样内的含水率分布情况，并结合膨胀土样因吸水产生的膨胀力，得到膨胀土样在吸水过程中的土样膨胀力-含水率分布数据和土层膨胀力-含水率分布数据。本申请结合NMR技术，能够无损的测量土样的含水率及其分布，并能获取膨胀土样各截面的含水率的动态变化；本申请适用于各种膨胀性土样的膨胀力与含水率的动态变化规律检测；可根据实际情况，设计不同溶液浓度和测试温度环境下的膨胀力 -含水率的时间历程变化。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例一中结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试系统结构示意图；
图2为本申请实施例一中的膨胀土夹持装置结构示意图；
图3为本申请实施例一中的供水装置结构示意图；
图4为本申请实施例一中的恒温装置结构示意图；
图5为本申请实施例二中结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试方法流程示意图。
具体实施方式
下面将基于本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面基于附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，为本申请实施例一种结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试系统，包括：核磁共振装置、膨胀土夹持装置、数据处理系统、恒温装置、供水装置。
其中，膨胀土夹持装置分别连接数据处理系统、恒温装置、供水装置和核磁共振装置；
膨胀土夹持装置为中空结构，测试用的膨胀土样位于膨胀土夹持装置内部。膨胀土夹持装置用于形成膨胀土样的膨胀力测试环境，并获取膨胀土样在膨胀力测试过程中的土样温度信号和土样压力信号。
恒温装置用于控制膨胀土夹持装置的测试温度；供水装置用于向膨胀土夹持装置内部的膨胀土样通入测试水分；核磁共振装置用于获取膨胀土样的土样含水率变化数据和土层含水率变化数据；
数据处理系统用于通过土样含水率变化数据、土层含水率变化数据、土样温度信号和土样压力信号，得到膨胀土样的土样膨胀力-含水率分布数据和土层膨胀力-含水率分布数据。
在本实施例中，核磁共振装置采用低场核磁共振仪。低场核磁共振仪均有磁场均匀、磁场稳定性强、非线性精准恒温控制、脉冲频率范围宽、评率控制精度高，X、Y、Z三个方向梯度成像，成像质量高等优点。将膨胀土夹持装置置于低场核磁共振仪内，通过低场核磁共振仪向膨胀土夹持装置内的膨胀土样施加CPMG (Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脉冲序列，可以得到膨胀土样的横向衰减曲线，对该曲线进行反演，可进一步得到膨胀土样的孔隙水的横向弛豫时间分布曲线，标记该弛豫时间分布曲线上的峰点值，结合水的密度、膨胀土样的含水量和膨胀土样的土体表面积，从而得到横向弛豫率，再结合膨胀土样孔隙水的体积，即可得到膨胀土样的土样含水率变化数据。在本实施例中，还进一步的使用低场核磁共振仪通过分层扫描序列获得膨胀土样在湿化过程中每一个土层截面的土层含水率变化数据，其过程与土样含水率变化数据的获取过程一致。
在本实施例中，膨胀土夹持装置包括试样腔、控温腔、土样温度监测模块、土样压力监测模块，如图2所示。
其中，试样腔为中空结构，膨胀土样位于试样腔内，为了保证膨胀力测试准确且更符合实际膨胀土应用环境，膨胀土样需经模具压实至指定尺寸。
在本实施例中，土样压力监测模块与土样温度监测模块分别布置在膨胀土样的两端，膨胀土样位于试样腔及土样温度监测模块和土样压力监测模块之间。土样温度监测模块探测膨胀土样的温度，得到土样温度信号，土样压力监测模块用于探测膨胀土样的压力，得到土样压力信号。
控温腔与恒温装置连接，用于控制试样腔的温度。试样腔的温度会传导至膨胀土样，该温度将作为膨胀土样在膨胀力测试过程中模拟膨胀土实际应用环境的环境温度。
在本实施例中，为了持续测试膨胀土样在不同含水率情况下的膨胀力，在膨胀土夹持装置的一端(与土样压力监测模块相对的一端) 设置了水循环组件，水循环组件与供水装置连接，可以持续不断的向膨胀土样渗入测试水分，达到连续测试的目的，实现膨胀土样含水率持续变化，测得膨胀力随含水率变化而变化的详细数据和过程，通过低场核磁共振仪分层扫描序列，可以获得每层土的含水率，进而明确孔隙水在膨胀土样中的迁移过程，以此来分析膨胀力随含水率的变化过程。且在本实施例中，在膨胀土样两端与土样温度监测模块和土样压力监测模块之间设置透水滤板，既可渗入测试水分，也能维持膨胀土样的固定形状。
为了配合持续测试膨胀土样在不同含水率情况下的膨胀力，并严格控制通入膨胀土中的水量和速度，在本实施例中，供水装置采用蠕动泵和蓄水装置的组合，如图3所示。
由于整体测试不需要太多水分，所以采用锥形瓶作为蓄水装置。将蠕动泵的进水口与锥形瓶的出水口相连，将蠕动泵的出水口与水循环组件的进水口连接，这样，可以通过蠕动泵控制通入膨胀土样内的测试水分的水量和速率。
进一步的，将水循环组件的出水口与蓄水装置的进水口，也就是锥形瓶的进水口相连，通过锥形瓶中水量的变化，再减去必要的输水管中的水量，可以很直观的得出被通入膨胀土样中的水量，也就是膨胀土样中的水的体积。
在本实施例中，如图4所示，恒温装置包括温度控制组件、加热组件、温度感应组件和温控液体；其中温控液体采用电子氟化液，电子氟化液的热传导性出色，特别是其所产生的核磁信号能与膨胀土样中的测试水分的信号相区别，不会对干扰低场核磁共振仪对膨胀土样的扫描结果。
在本实施例中，温度控制组件分别与加热组件和温度感应组件相连接；温度感应组件用于监测温控液体的温度，得到温控液体温度数据；温度控制组件用于根据温控液体温度数据控制加热组件对温控液体进行加热。在本实施例中，测试人员可根据实际测试温度需要，通过调整温度控制组件，控制加热组件对电子氟化液进行加热，温度感应组件实时监测电子氟化液的温度，在本实施例中，当电子氟化液温度达到测试温度时，温度控制组件可控制加热组件停止加热。进一步的，在本实施例中，膨胀土夹持装置中的控温腔采取中空结构，可通入电子氟化液，恒温装置设有电子氟化液的出水口和进水口，其中，恒温装置出水口与控温腔的进水口连接，电子氟化液进入控温腔，电子氟化液在控温腔循环内将自身热量将传导至试样腔，控温腔的出水口与恒温装置进水口连接，电子氟化液流回到恒温装置，此时电子氟化液的温度会降低，温度感应组件监测到电子氟化液的温度下降后，温度控制组件将控制加热组件继续对电子氟化液进行加热，以通过电子氟化液维持试样腔的温度。这样就能形成恒温装置出水-控温腔进水-试样腔控温-控温腔出水-恒温装置进水这样的电子氟化液的水循环，从而使恒温装置能够维持控温腔的温度。
在本实施例中，为了能够更好的维持控温腔和试样腔的温度，在控温腔和试样腔的外围设置密封组件。
在本实施例中，数据处理系统包括温度采集模块、膨胀力采集模块和数据处理模块；温度采集模块和所述膨胀力采集模块均与所述数据处理模块连接。
温度采集模块与膨胀土夹持装置中的土样温度监测模块连接，通过土样温度信号获得膨胀土样在膨胀力测试过程中的土样测试温度，该温度用于模拟膨胀土在实际应用中的环境温度；膨胀力采集模块与膨胀土夹持装置中的土样压力监测模块连接，通过土样压力信号获得膨胀土样在膨胀力测试过程中因吸收测试水分而产生的土样膨胀力，该膨胀力用于模拟膨胀土在实际应用中的因吸水而产生的作用力。
数据处理模块根据土样含水率变化数据和土样膨胀力得到当前土样测试温度下的土样膨胀力-含水率分布数据，根据土层含水率变化数据和土样膨胀力得到当前土样测试温度下的土层膨胀力-含水率分布数据。
利用上述膨胀力测试系统，能够无损的测量土样的含水率及其分布，并能获取膨胀土样各截面的含水率的动态变化。
实施例二
如图5所示，为本申请实施例一种结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试方法流程示意图，包括如下步骤：
S1.获取测试用膨胀土样的土样含水率变化数据和土层含水率变化数据。
在本实施例中，获取土样含水率变化数据的方法如下，
S1.1.采用低场核磁共振仪对膨胀土样施加CPMG (Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脉冲序列，得到膨胀土样的横向衰减曲线；
S1.2.对膨胀土样201的横向衰减曲线进行反演，得到核磁共振 T2分布曲线的总面积，根据核磁共振T2分布曲线上的峰值信号和含水率对应关系，计算得到膨胀土样的含水率；；
S1.3.采用分层扫描系列SE-SPI，获得膨胀土样的每层土的含水率，进一步的，也可以明确孔隙水在膨胀土样中的迁移过程，以此来分析膨胀力随含水率的变化过程。
S2.当膨胀土样达到预设测试温度时，向膨胀土样通入测试水分，获得膨胀土样因吸收水分而产生的膨胀力数据。在本实施例中，使用恒温装置控制膨胀土样的温度，使用供水装置按照预先设定的通水量和通水速率向膨胀土样中通入测试水分，通过土样压力监测模块获取膨胀土样因吸收水分而产生的膨胀力数据，通过土样温度监测模块获取膨胀土样的测试温度数据；
S3.根据土样含水率变化数据、膨胀力数据和测试温度数据，得到当前温度下的土样膨胀力-含水率分布数据，根据土层含水率变化数据、膨胀力数据和测试温度数据，得到当前温度下的土层膨胀力- 含水率分布数据，完成膨胀土样膨胀力测试。
通过上述膨胀力测试步骤，能够无损的测量土样的含水率及其分布，并能获取膨胀土样各截面的含水率的动态变化。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试系统，其特征在于，包括：核磁共振装置、膨胀土夹持装置、数据处理系统、恒温装置、供水装置；
所述膨胀土夹持装置分别连接所述数据处理系统、所述恒温装置、所述供水装置和所述核磁共振装置；
所述膨胀土夹持装置为中空结构，测试用的膨胀土样位于所述膨胀土夹持装置内部；
所述膨胀土夹持装置用于形成所述膨胀土样的膨胀力测试环境，并获取所述膨胀土样在膨胀力测试过程中的土样温度信号和土样压力信号；
所述恒温装置用于控制所述膨胀土夹持装置的测试温度；
所述供水装置用于向所述膨胀土夹持装置内部的所述膨胀土样通入测试水分；
所述核磁共振装置用于获取所述膨胀土样的土样含水率变化数据和土层含水率变化数据；
所述数据处理系统用于通过所述土样含水率变化数据、所述土层含水率变化数据、所述土样温度信号和所述土样压力信号，得到所述膨胀土样的土样膨胀力-含水率分布数据和土层膨胀力-含水率分布数据。
2.根据权利要求1所述的结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试系统，其特征在于：所述核磁共振装置为低场核磁共振仪；
所述低场核磁共振仪用于向所述膨胀土夹持装置内的所述膨胀土样施加CPMG脉冲序列，获得所述土样含水率变化数据；
所述低场核磁共振仪还用于向所述膨胀土夹持装置内的所述膨胀土样施加分层扫描序列，获得所述土层含水率变化数据。
3.根据权利要求1所述的结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试系统，其特征在于：所述膨胀土夹持装置包括试样腔、控温腔、土样温度监测模块、土样压力监测模块；
所述土样温度监测模块用于探测所述膨胀土样的温度，得到所述土样温度信号；
所述土样压力监测模块用于探测所述膨胀土样的压力，得到所述土样压力信号；
所述试样腔为中空结构，所述土样温度监测模块位于所述试样腔的一端，所述土样压力监测模块位于所述试样腔的另一端；所述膨胀土样位于所述试样腔内，并位于所述土样温度监测模块和所述土样压力监测模块之间；
所述控温腔与所述恒温装置连接，所述控温腔用于维持所述试样腔的温度。
4.根据权利要求3所述的结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试系统，其特征在于：所述膨胀土夹持装置还包括水循环组件；
所述水循环组件位于所述膨胀土样的一端；
所述水循环组件与所述供水装置连接，所述水循环组件用于接收所述测试水分并向所述膨胀土样通入所述测试水分。
5.根据权利要求4所述的结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试系统，其特征在于：所述供水装置包括蠕动泵和蓄水装置；
所述蠕动泵分别与所述蓄水装置和所述水循环组件连接，所述蓄水装置还与所述水循环组件连接；
所述蠕动泵用于将所述蓄水装置中的所述测试水分泵入所述水循环组件中。
6.根据权利要求3所述的结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试系统，其特征在于：所述恒温装置包括温度控制组件、加热组件、温度感应组件和温控液体；
所述温度控制组件分别与所述加热组件和所述温度感应组件相连接；
所述温度感应组件用于监测所述温控液体的温度，得到温控液体温度数据；
所述温度控制组件用于根据所述温控液体温度数据控制所述加热组件对所述温控液体进行加热；
所述控温腔为中空结构，所述温控液体进入所述控温腔，并通过所述控温腔维持所述试样腔的温度。
7.根据权利要求3所述的结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试系统，其特征在于：所述数据处理系统包括温度采集模块、膨胀力采集模块和数据处理模块；
所述温度采集模块和所述膨胀力采集模块均与所述数据处理模块连接；
所述温度采集模块与所述土样温度监测模块连接，所述温度采集模块用于根据所述土样温度信号得到土样测试温度；
所述膨胀力采集模块与所述土样压力监测模块连接，所述膨胀力采集模块用于根据所述土样压力信号获得土样膨胀力；
所述数据处理模块用于根据所述土样含水率变化数据、所述土层含水率变化数据、所述土样测试温度和所述土样膨胀力，得到所述土样测试温度下所述膨胀土样的土样膨胀力-含水率分布数据和土层膨胀力-含水率分布数据。
8.一种结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取测试用的膨胀土样的土样含水率变化数据和土层含水率变化数据；
当所述膨胀土样达到预设温度时，向所述膨胀土样通入测试水分，获得所述膨胀土样因吸收水分而产生的膨胀力数据及所述膨胀土样的测试温度数据；
根据所述土样含水率变化数据、所述膨胀力数据和所述测试温度数据，得到土样膨胀力-含水率分布数据，根据所述土层含水率变化数据、所述膨胀力数据和所述测试温度数据，得到土层膨胀力-含水率分布数据，完成膨胀土样膨胀力测试。
9.根据权利要求8所述的结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试方法，其特征在于，获取所述土样含水率变化数据和所述土层含水率变化数据的方法包括：
获取所述膨胀土样的横向衰减曲线；
对所述横向衰减曲线进行反演，得到所述膨胀土样的土样含水率变化数据；
对所述膨胀土样施加分层扫描序列，得到所述土层含水率变化数据。
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2021
- 2021-09-08 CN CN202111048857.7A patent/CN113758624B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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