CN117779722A - 一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及岩土探测领域，具体公开了一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置及方法，其装置包括联合探头、贯入动力系统和数据采集及分析系统，其中联合探头包括同轴连接的静力触探探头系统和核磁共振探头系统，核磁共振探头系统包括射频组件、内套管、套设于内套管外的磁体组件；静力触探探头系统包括同轴固接的锥形探头和摩擦套筒，摩擦套筒内固定设置有中空的测杆，测杆的外周侧设置有应变片测量元件，测杆内设置有孔隙水压力测量组件；贯入动力系统用于将联合探头贯入土层；数据采集及分析系统用于收集并分析测量数据。本申请可对连续深度原状土的核磁信息和力学参数同时进行原位测量，提高土质识别和土层划分的准确性。

Description

一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置及方法

技术领域

本申请涉及岩土探测领域，尤其是涉及一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置及方法。

背景技术

静力触探试验通过将探头贯入土层中，获得探头在贯入过程中受到的端阻力、侧摩阻力和孔隙水压力，进而确定土层的地基承载力、抗剪强度和单桩承载力等多种力学参数。在结合地区经验和相邻试验资料的基础上，能够实现不同土层的力学性质评价和土层的力学分层。然而，静力触探试验获取的土体性质参数有限，仅凭力学性质难以准确识别土质类型以及准确划分土层。

核磁共振测试能够反映土体的含水率与水分分布情况，开展土体原位核磁测量能得到原状土的水分含量、微观孔隙结构等信息。为了提高土质识别和土层划分的准确性，研制一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置非常有必要。

发明内容

为了提高土质识别和土层划分的准确性，本申请提供一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置及方法。

本申请提供的一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置采用如下的技术方案：

一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置，包括：

联合探头，包括同轴连接的静力触探探头系统和核磁共振探头系统，所述核磁共振探头系统包括射频组件、内套管和套设于所述内套管外的磁体组件；所述静力触探探头系统包括同轴固接的锥形探头和摩擦套筒，所述摩擦套筒内固定设置有中空的测杆，所述测杆的外周侧设置有用于测量锥尖阻力和侧壁摩阻力的应变片测量元件，所述测杆内设置有孔隙水压力测量组件；

贯入动力系统，用于将所述联合探头贯入土层；

数据采集及分析系统，用于收集并分析测量数据。

探测时，通过贯入动力系统将核磁共振和静力触探联合探头推进至目标深度的土层，核磁共振探头系统对土体进行原位核磁共振测量，静力触探探头系统测量土体的锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力，数据经过数据采集及分析系统处理，可获取原状土的含水率、水分分布和力学参数等信息。

通过贯入动力系统将核磁共振和静力触探联合探头连续推进不同深度的土层，可获取连续深度原状土的含水率、水分分布和力学参数等信息，有助于更加准确地进行土质识别和土层划分。

进一步地，所述测杆包括同轴固接的上部测杆、中部测杆和下部测杆，所述中部测杆的直径大于所述上部测杆及所述下部测杆的直径，所述中部测杆固接于所述摩擦套筒的内侧壁；所述应变片测量元件设置有两组，分别安装于所述上部测杆和所述下部测杆的外周侧。

进一步地，所述应变片测量元件包括安装于所述上部测杆外周侧的侧摩阻力应变传感器和安装于所述下部测杆外周侧的锥尖阻力应变传感器。

在联合探头贯入地层的过程中，土体对锥形探头和摩擦套筒的作用力传递给测杆，应变片测量元件的电阻随测杆的形变而发生变化，从而将阻力转化为电信号，锥尖阻力应变传感器测得锥尖阻力，侧摩阻力应变传感器测得侧壁摩阻力。

进一步地，所述孔隙水压力测量组件包括安装于所述测杆内部空腔的孔隙水压力传感器，所述摩擦套筒上设置有与土体接触的孔隙水压力透水石，所述孔隙水压力透水石与所述孔隙水压力传感器之间连通有密闭的空腔；所述测杆的内部空腔与所述内套管的内部空腔连通。

孔隙水压力透水石与土体接触，将土体的孔隙水压力传递至空腔，孔隙水压力的变化引起空腔内的气压变化，孔隙水压力传感器将气压变化转化为电信号输出，实现孔隙水压力的测量。

进一步地，所述磁体组件包括五个同轴固接的空心圆柱型磁铁，沿轴线方向依次为第一磁铁、第二磁铁、第三磁铁、第二磁铁和第一磁铁，所述第一磁铁、所述第二磁铁和所述第三磁铁的内周直径相同且外周直径依次递减，五个磁铁的极性相同。

磁体组件产生围绕轴线的圆环形静磁场B0，通过采用多个空心圆柱型磁铁组成磁体组件，且磁体组件呈变径设置，使核磁共振测量信号敏感区域沿磁体组件的径向向外延伸一段距离，从而使得测量区域尽可能避开贯入过程中被探头扰动和破坏的土，有助于提高测量的准确性。

进一步地，所述射频组件包括绕设于所述磁体组件中部的射频线圈，所述射频线圈连接有调谐电路。

射频线圈产生的射频磁场B1沿磁铁轴向且与静磁场B0垂直，通过调谐电路，可将射频线圈频率和磁铁产生静磁场B0的磁场强度调谐一致。

本申请提供一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试方法，采用一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置，包括以下步骤：

步骤一：装置连接和准备；

步骤二：使用贯入动力系统将联合探头贯入土层；

步骤三：核磁共振探头系统和静力触探探头系统分别对土体进行核磁共振测量和静力触探测量，并将测量数据传输至数据采集及分析系统；

步骤四：数据采集及分析系统对数据进行处理，得到土层的T2分布谱、锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力信息；

步骤五：根据T2分布谱得到土体的含水率，根据锥尖阻力和侧壁摩擦力得到土体的力学参数。

进一步地，所述步骤四中，得到T2分布谱的方法包括以下步骤：

核磁共振探头测量的核磁共振横向磁化矢量回波衰减信号如公式（1）：

(1)

式（1）中，为第i个磁化矢量强度，/>为衰减时间，/>为设定的第j个横向弛豫时间，/>为第j个横向弛豫时间对应的幅度；核磁共振测量原始信号经反演算法处理需要通过反演得到/>，即得到T2分布谱。

进一步地，所述步骤五中，由T2分布谱得到土体含水率的方法包括以下步骤：

按公式（2）计算土体的含水量：

(2)

式（2）中，为核磁共振探头测量土体中水信号的总体积；/>和/>分别为T2分布谱的最大值和最小值；

按公式（3）计算土体的含水率：

(3)

式（3）中，为核磁共振探头测量区域的总体积；/>为含水率。

进一步地，所述步骤五中，根据锥尖阻力和侧壁摩擦力得到土体的力学参数的方法包括以下步骤：

按公式（4）计算土体摩阻比：

(4)

式（4）中，为锥尖阻力，/>为侧壁摩阻力，/>为土体摩阻比；

按公式（5）计算总锥尖阻力：

(5)

式（5）中，为孔隙水压力，/>为探头修正面积比，/>为锥尖阻力，/>为总锥尖阻力。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.通过贯入动力系统将核磁共振和静力触探联合探头连续推进不同深度的土层，对连续深度原状土的核磁信息和力学参数同时进行原位测量，可同时获取不同深度位置原状土的含水率、水分分布和力学参数信息；结合含水率和力学参数信息，有助于更加准确地进行土质识别和土层划分；

2.通过采用多个空心圆柱型磁铁组成变径的磁体组件，使核磁共振测量信号敏感区域沿磁体组件的径向向外延伸一段距离，从而使得测量区域尽可能避开贯入过程中被探头扰动和破坏的土，有助于提高测量的准确性。

附图说明

图1是本申请实施例中核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置中联合探头的剖视示意图；

图2是本申请实施例中核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置的整体示意图；

图3是本申请实施例中磁体组件的整体结构示意图；

图4是本申请实施例中磁体组件的剖视结构示意图；

图5是本申请实施例中主要用于展示磁体组件周围敏感区域的示意图；

图6是主要用于展示现有技术中磁体组件周围敏感区域的示意图。

附图标记：1、静力触探探头系统；11、锥形探头；12、锥尖阻力应变传感器；13、摩擦套筒；14、侧摩阻力应变传感器；15、孔隙水压力传感器；16、孔隙水压力透水石；17、测杆；2、核磁共振探头系统；21、磁体组件；211、第一磁铁；212、第二磁铁；213、第三磁铁；22、射频线圈；23、调谐电路；24、外套筒；25、内套管；26、外壳；3、贯入动力系统；31、液压动力设备；32、推进器；33、探杆；4、数据采集及分析系统；41、电缆；42、核磁谱仪；43、静力触探数据采集仪；44、数据处理组件。

具体实施方式

以下结合附图1-6对本申请作进一步详细说明。

实施例1

本申请实施例公开一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置。参照图1和图2，核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置包括联合探头、贯入动力系统3和数据采集及分析系统4。

参照图1，联合探头包括同轴连接的静力触探探头系统1和核磁共振探头系统2。核磁共振探头系统2包括射频组件、内套管25、套设于内套管25外的磁体组件21。静力触探探头系统1包括同轴固接的锥形探头11和摩擦套筒13，摩擦套筒13内固定设置有中空的测杆17，测杆17的外周侧设置有用于测量锥尖阻力和侧壁摩阻力的应变片测量元件，测杆17内设置有孔隙水压力测量组件。

参照图2，贯入动力系统3用于将联合探头贯入土层，包括液压动力设备31、推进器32和空心探杆33，液压动力设备31连接于推进器32，用于为推进器32提供动力。探杆33的两端分别连接于推进器32和联合探头，探杆33可以采用多段首尾连接，随着探杆33贯入土体，可在探杆33的末端连接新的连接段，以增加探杆33的长度。

参照图2，数据采集及分析系统4包括电缆41、核磁谱仪42、静力触探数据采集仪43和数据处理组件44。其中，电缆41连接于核磁共振探头系统2与核磁谱仪42之间以及连接于静力触探探头系统1与静力触探数据采集仪43之间，用于给探头供电和进行数据传输；数据处理组件44与核磁谱仪42及静力触探数据采集仪43连接，用于分析测量数据。

探测时，通过贯入动力系统3将核磁共振和静力触探联合探头推进至目标深度的土层，核磁共振探头系统2对土体进行原位核磁共振测量，静力触探探头系统1测量土体的锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力，数据经过数据采集及分析系统4处理，可获取原状土的含水率、水分分布和力学参数等信息。

通过贯入动力系统3将核磁共振和静力触探联合探头连续推进不同深度的土层，可获取连续深度原状土的含水率、水分分布和力学参数等信息，有助于更加准确地进行土质识别和土层划分。

参照图1，测杆17包括同轴固接的上部测杆、中部测杆和下部测杆，其中，中部测杆的直径大于上部测杆及下部测杆的直径，中部测杆固接于摩擦套筒13的内侧壁。应变片测量元件设置有两组，分别安装于上部测杆和下部测杆的外周侧。

具体的，参照图1，应变片测量元件包括安装于上部测杆外周侧的侧摩阻力应变传感器14和安装于下部测杆外周侧的锥尖阻力应变传感器12。侧摩阻力应变传感器14至少设置有两个，多个侧摩阻力应变传感器14呈对称分布于上部测杆的外周侧；锥尖阻力应变传感器12至少设置有两个，多个锥尖阻力应变传感器12呈对称分布于下部测杆的外周侧。

在联合探头贯入地层的过程中，土体对锥形探头11和摩擦套筒13的作用力传递给测杆17，应变片测量元件的电阻随测杆17的形变而发生变化，从而将阻力转化为电信号，锥尖阻力应变传感器12测得锥尖阻力，侧摩阻力应变传感器14测得侧壁摩阻力。

参照图1，孔隙水压力测量组件包括安装于测杆17内部空腔的孔隙水压力传感器15，摩擦套筒13上设置有与土体接触的孔隙水压力透水石16，孔隙水压力透水石16与孔隙水压力传感器15之间连通有密闭的空腔。

孔隙水压力透水石16与土体接触，将土体的孔隙水压力传递至空腔，孔隙水压力的变化引起空腔内的气压变化，孔隙水压力传感器15将气压变化转化为电信号输出，实现孔隙水压力的测量。

进一步，参照图1，测杆17的内部空腔与内套管25的内部空腔连通，连接于孔隙水压力传感器15的电线可穿过内套管25的内部空腔进而与电缆41汇合。

参照图1、图3和图4，磁体组件21包括五个同轴固接的空心圆柱型磁铁，沿轴线方向依次为第一磁铁211、第二磁铁212、第三磁铁213、第二磁铁212和第一磁铁211。第一磁铁211、第二磁铁212和第三磁铁213的内周直径相同且外周直径依次递减，五个磁铁的极性相同，即五个磁铁的磁场方向相同。

磁体组件21产生围绕轴线的圆环形静磁场B0，静磁场B0均匀的区域为敏感区域。通过采用多个空心圆柱型磁铁组成磁体组件21，且磁体组件21呈变径设置，使核磁共振测量信号敏感区域沿磁体组件21的径向向外延伸一段距离，如图5中阴影部分所示，从而使得测量区域尽可能避开贯入过程中被探头扰动和破坏的土，有助于提高测量的准确性。

现有技术中的磁体组件包括两个沿自身轴向间隔排布的圆柱型磁铁，两个磁铁的极性相反，即二者的磁场方向相反；相应的敏感区域紧邻磁体组件的外周，如图6中阴影部分所示，使得测量区域内含有贯入过程中被探头扰动和破坏的土，不利于提高测量的准确性。

参照图1，射频组件包括绕设于磁体组件21中部的射频线圈22，射频线圈22连接有调谐电路23。

射频线圈22产生的射频磁场B1沿磁铁轴向且与静磁场B0垂直，通过调谐电路23，可将射频线圈22频率和磁体组件21产生静磁场B0的磁场强度调谐一致。

为了便于固定磁体组件21和射频线圈22，参照图1，磁体组件21外设置有外套筒24。进一步，外套筒24外设置有外壳26，外壳26与静力触探探头系统1固定连接。

内套管25采用非磁性不锈钢制成，外套筒24采用聚四氟乙烯制成，允许磁场穿透；外壳26采用无磁不导电的玻璃钢制成，使磁场能够穿透外壳26到达需要测量的土体区，同时保证了探头的防水防腐性能。

本申请实施例一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置的实施原理为：探测时，通过贯入动力系统3将核磁共振和静力触探联合探头推进至目标深度的土层，核磁共振探头系统2对土体进行原位核磁共振测量，静力触探探头系统1测量土体的锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力，数据经过数据采集及分析系统4处理，可获取原状土的含水率、水分分布和力学参数等信息。

通过贯入动力系统3将核磁共振和静力触探联合探头连续推进不同深度的土层，可获取连续深度原状土的含水率、水分分布和力学参数等信息，有助于更加准确地进行土质识别和土层划分。

实施例2

本申请实施例公开一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试方法，采用实施例1公开的一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置，包括以下步骤：

步骤一：将核磁共振探头系统2与静力触探探头系统1连接组成联合探头，将联合探头连接于探杆33，将探杆33与地面贯入动力系统3的推进器32相连接。

步骤二：通过推进器32将联合探头连续贯入土层，贯入速度为1.5厘米/秒。

步骤三：在联合探头贯入的同时，核磁共振探头系统2和静力触探探头系统1分别对土体进行核磁共振测量和静力触探测量，并将测量数据传输至数据采集及分析系统4。

步骤四：数据采集及分析系统4对数据进行处理，得到土层的T2分布谱、锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力信息；

得到T2分布谱的方法包括以下步骤：

土中氢核数量和磁化信号强度成正比，核磁共振探头测量的核磁共振横向磁化矢量回波衰减信号如公式（1）：

(1)

式（1）中，某深度位置回波衰减信号中第i个磁化矢量强度，/>为衰减时间，/>为设定的第j个横向弛豫时间，/>为第j个横向弛豫时间对应的幅度，在探头连续推进的过程中测量得到不同深度的多个回波衰减信号；

核磁共振测量原始信号经反演算法处理需要通过反演得到，分别得到不同深度位置土的T2分布谱；T2分布中短T2部分对应着土体中的小孔隙中的水，长T2部分是较大孔隙水的反映，基于T2谱能够得到土的微观孔隙结构特征。

步骤五：根据T2分布谱得到土体的含水率，根据锥尖阻力和侧壁摩擦力得到土体的力学参数；

根据T2分布谱得到土体含水率的方法包括以下步骤：

按公式（2）计算某一深度位置土体的含水量：

(2)

式（2）中，为该深度位置核磁共振探头测量土体中水信号的总体积；/>和分别为T2分布谱的最大值和最小值；

按公式（3）计算该深度位置土体的含水率：

(3)

式（3）中，为核磁共振探头测量区域的总体积；/>为含水率；通过连续深度T2分布谱的数据处理，得到土体连续深度分布的含水率。

根据锥尖阻力和侧壁摩擦力得到土体的力学参数的方法包括以下步骤：

按公式（4）计算土体摩阻比：

(4)

式（4）中，为锥尖阻力，/>为侧壁摩阻力，/>为土体摩阻比；

按公式（5）计算总锥尖阻力：

(5)

式（5）中，为总锥尖阻力，/>为锥尖阻力，/>为孔隙水压力，/>为探头修正面积比，一般取0.840。

根据不同深度土的T2分布谱、含水率及流体信息与力学参数相结合，了解土体物理信息与微观结构，从而识别土质、评价地下土水分分布和动态。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置，其特征在于：包括：

联合探头，包括同轴连接的静力触探探头系统和核磁共振探头系统，所述核磁共振探头系统包括射频组件、内套管和套设于所述内套管外的磁体组件；所述静力触探探头系统包括同轴固接的锥形探头和摩擦套筒，所述摩擦套筒内固定设置有中空的测杆，所述测杆的外周侧设置有用于测量锥尖阻力和侧壁摩阻力的应变片测量元件，所述测杆内设置有孔隙水压力测量组件；

贯入动力系统，用于将所述联合探头贯入土层；

数据采集及分析系统，用于收集并分析测量数据。

2.根据权利要求1所述的一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置，其特征在于：所述测杆包括同轴固接的上部测杆、中部测杆和下部测杆，所述中部测杆的直径大于所述上部测杆及所述下部测杆的直径，所述中部测杆固接于所述摩擦套筒的内侧壁；所述应变片测量元件设置有两组，分别安装于所述上部测杆和所述下部测杆的外周侧。

3.根据权利要求2所述的一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置，其特征在于：所述应变片测量元件包括安装于所述上部测杆外周侧的侧摩阻力应变传感器和安装于所述下部测杆外周侧的锥尖阻力应变传感器。

4.根据权利要求1所述的一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置，其特征在于：所述孔隙水压力测量组件包括安装于所述测杆内部空腔的孔隙水压力传感器，所述摩擦套筒上设置有与土体接触的孔隙水压力透水石，所述孔隙水压力透水石与所述孔隙水压力传感器之间连通有密闭的空腔；所述测杆的内部空腔与所述内套管的内部空腔连通。

5.根据权利要求1所述的一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置，其特征在于：所述磁体组件包括五个同轴固接的空心圆柱型磁铁，沿轴线方向依次为第一磁铁、第二磁铁、第三磁铁、第二磁铁和第一磁铁，所述第一磁铁、所述第二磁铁和所述第三磁铁的内周直径相同且外周直径依次递减，五个磁铁的极性相同。

6.根据权利要求5所述的一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置，其特征在于：所述射频组件包括绕设于所述磁体组件中部的射频线圈，所述射频线圈连接有调谐电路。

7.一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试方法，其特征在于：采用权利要求1-6任一项所述的一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置，包括以下步骤：

步骤一：装置连接和准备；

步骤二：使用贯入动力系统将联合探头贯入土层；

步骤三：核磁共振探头系统和静力触探探头系统分别对土体进行核磁共振测量和静力触探测量，并将测量数据传输至数据采集及分析系统；

步骤四：数据采集及分析系统对数据进行处理，得到土层的T2分布谱、锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力信息；

步骤五：根据T2分布谱得到土体的含水率，根据锥尖阻力和侧壁摩擦力得到土体的力学参数。

8.根据权利要求7所述的一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试方法，其特征在于：所述步骤四中，得到T2分布谱的方法包括以下步骤：

核磁共振探头测量的核磁共振横向磁化矢量回波衰减信号如公式（1）：

(1)

式（1）中，为第i个磁化矢量强度，/>为衰减时间，/>为设定的第j个横向弛豫时间，为第j个横向弛豫时间对应的幅度；核磁共振测量原始信号经反演算法处理需要通过反演得到/>，即得到T2分布谱。

9.根据权利要求8所述的一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试方法，其特征在于：所述步骤五中，由T2分布谱得到土体含水率的方法包括以下步骤：

按公式（2）计算土体的含水量：

(2)

式（2）中，为核磁共振探头测量土体中水信号的总体积；/>和/>分别为T2分布谱的最大值和最小值；

按公式（3）计算土体的含水率：

(3)

式（3）中，为核磁共振探头测量区域的总体积；/>为含水率。

10.根据权利要求7所述的一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试方法，其特征在于：所述步骤五中，根据锥尖阻力和侧壁摩擦力得到土体的力学参数的方法包括以下步骤：

按公式（4）计算土体摩阻比：

(4)

式（4）中，为锥尖阻力，/>为侧壁摩阻力，/>为土体摩阻比；

按公式（5）计算总锥尖阻力：

(5)

式（5）中，为孔隙水压力，/>为探头修正面积比，/>为锥尖阻力，/>为总锥尖阻力。