CN215728143U - 一种结合nmr技术的膨胀土膨胀力测试装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试装置，包括：NMR单元、膨胀土夹持单元、控温单元、供水单元和数据处理单元；膨胀土夹持单元分别连接数据处理单元、控温单元、供水单元和NMR单元；膨胀土夹持单元为中空结构，内部放置有测试用的膨胀土样。本申请能够无损测量土样含水率及其分布，能够获取膨胀土样各截面的含水率的动态变化，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。

Description

一种结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试装置

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装置。

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。

实用新型内容

本申请提出了一种结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试装置，在预设的测试温度下，使用NMR技术测试膨胀土样在膨胀力测试过程中的变化，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装置，包括：NMR单元、膨胀土夹持单元、控温单元、供水单元和数据处理单元；

所述膨胀土夹持单元分别连接所述数据处理单元、所述控温单元、所述供水单元和所述NMR单元；

所述膨胀土夹持单元为中空结构，所述膨胀土夹持单元内部放置有测试用的膨胀土样；

所述NMR单元还与所述数据处理单元连接。

优选的，所述NMR单元包括NMR数据模块、CPMG模块和分层扫描模块；

所述NMR数据模块分别与所述CPMG模块和所述分层扫描模块连接；

所述NMR数据模块还与所述数据处理单元连接。

优选的，所述膨胀土夹持单元包括土样腔室、恒温腔室、土样温度采集装置和膨胀压力采集装置；

所述土样腔室为中空结构，所述土样温度采集装置位于所述土样腔室的一端，所述膨胀压力采集装置位于所述土样腔室的另一端；

所述土样腔室、所述土样温度采集装置和所述膨胀压力采集装置构成所述膨胀土样的放置空间；

所述恒温腔室包括恒温中空腔、恒温腔进水口和恒温腔出水口；所述恒温中空腔包裹在所述土样腔室外围，所述恒温中空腔分别通过所述恒温腔进水口和所述恒温腔出水口与所述控温单元连接。

优选的，所述膨胀土夹持单元还包括供水组件；

所述供水组件包括供水进水口、供水进水管道、供水出水管道和供水出水口；

所述供水组件位于所述土样腔室的一端，与所述膨胀压力采集装置位置相对；

所述供水进水管道分别连接所述供水进水口和所述土样腔室；

所述供水出水管道分别连接所述供水出水口和所述土样腔室；

所述供水进水口还与所述供水单元连接。

优选的，所述膨胀土夹持单元还包括透水滤板；

所述透水滤板位于所述供水组件与所述膨胀土样之间。

优选的，所述膨胀土夹持单元还包括密封组件和紧固构件；

所述密封组件位于所述土样腔室和所述恒温腔室的外围；

所述密封组件与所述土样腔室通过所述紧固构件连接。

优选的，所述控温单元包括温度调节模块、加热装置、温度感应装置、控温液体、控温液出水口和控温液进水口；

所述温度调节模块分别与所述加热装置和所述温度感应装置连接；

所述加热装置还与所述控温液出水口和所述控温液进水口连接；

所述加热装置内有所述控温液体；

所述控温液出水口与所述恒温腔进水口连接，所述控温液进水口与所述恒温腔出水口连接。

优选的，所述供水单元包括蠕动泵和蓄水装置；

所述蠕动泵设有蠕动泵进水口和蠕动泵出水口；

所述蓄水装置设有蓄水进水口和蓄水出水口；

所述蠕动泵通过所述蠕动泵进水口与所述蓄水装置的所述蓄水出水口连接；

所述蠕动泵通过所述蠕动泵出水口与所述供水组件的所述供水进水口连接；

所述蓄水装置通过所述蓄水进水口与所述供水组件的所述供水出水口连接。

优选的，所述数据处理单元包括土样温度模块、膨胀压力模块和数据处理模块；

所述数据处理模块通过所述土样温度模块与所述土样温度采集装置连接；

所述数据处理模块还通过所述膨胀压力模块与所述膨胀压力采集装置连接。

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装置，在控温单元形成的测试温度下，随着供水单元向膨胀土夹持单元中的膨胀土样通入测试水分，通过NMR单元获取在该温度下膨胀土样内的含水率分布变化情况，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为本申请实施例一种结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试装置结构示意图；

图2为本申请实施例中的膨胀土夹持单元结构示意图；

图3为本申请实施例中的恒温水浴箱结构示意图；

图4为本申请实施例中的供水单元结构示意图；

图5为本申请实施例中采用结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试装置进行膨胀力测试的流程示意图。

附图标记说明

1、NMR单元；2、膨胀土夹持单元；3、控温单元；4、供水单元；5、数据处理单元；101、NMR数据模块；102、CPMG模块；103、分层扫描模块；201、膨胀土样；202、土样腔室；204、土样温度采集装置；205、膨胀压力采集装置；206、供水进水口；207、供水进水管道；208、供水出水管道；209、供水出水口；210、透水滤板；211、密封组件；212、O型密封胶圈；213、恒温中空腔；214、恒温腔进水口；215、恒温腔出水口；301、温度调节模块；302、加热装置；303、温度感应装置；304、控温液出水口；305、控温液进水口；306、循环水泵；401、蠕动泵；402、蠕动泵进水口；403、蠕动泵出水口；406、锥形瓶；407、蓄水进水口；408、蓄水出水口；501、数据处理模块；502、土样温度模块；503、膨胀压力模块。

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。

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装置，包括：NMR单元1、膨胀土夹持单元2、控温单元3、供水单元4和数据处理单元5。膨胀土夹持单元2分别连接数据处理单元5、控温单元3、供水单元4和NMR单元1。

在本实施例中，NMR单元1用于获取膨胀土样201的土样含水率变化数据和土层含水率变化数据。具体的，NMR单元1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。NMR单元1包括NMR数据模块101、CPMG模块102和分层扫描模块103，将膨胀土夹持单元2置于低场核磁共振仪内，通过CPMG模块102向膨胀土夹持单元2内的膨胀土样201施加的CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)序列，NMR数据模块101可以得到膨胀土样201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201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201的含水量和膨胀土样201的土体表面积，从而得到横向弛豫率，再结合膨胀土样201孔隙水的体积，即可得到膨胀土样201的土样含水率变化数据。在本实施例中，还进一步的通过分层扫描模块103向膨胀土样201施加的分层扫描序列，NMR数据模块101还可以获得膨胀土样201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，膨胀土夹持单元2为中空结构，用于形成膨胀力测试环境，其内部放置有测试用的膨胀土样201，并在膨胀力测试过程中获取膨胀土样201的土样温度信号和土样压力信号。

具体的，膨胀土夹持单元2包括土样腔室202、恒温腔室、土样温度采集装置204、膨胀压力采集装置205；

其中，土样腔室202为中空结构，膨胀土样201位于土样腔室202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201需经模具压实至指定尺寸和密度。

膨胀压力采集装置205与土样温度采集装置204分别布置在土样腔室202的两端，土样温度采集装置204探测膨胀土样201的温度，得到土样温度信号，膨胀压力采集装置205用于探测膨胀土样201的压力，得到土样压力信号。土样腔室202、土样温度采集装置204和膨胀压力采集装置205构成膨胀土样201的放置空间，膨胀土样201置于其内。

恒温腔室包括恒温中空腔213、恒温腔进水口214和恒温腔出水口215；恒温中空腔213包裹在土样腔室202外围，用于控制土样腔室202的温度，恒温中空腔213的温度通过土样腔室202传导至膨胀土样201，该温度将作为膨胀土样201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。

恒温中空腔213分别通过恒温腔进水口214和恒温腔出水口215与控温单元3连接。

在本实施例中，为了持续测试膨胀土样201在不同含水率情况下的膨胀力，在膨胀土夹持单元2上设置了供水组件，包括供水进水口206、供水进水管道207、供水出水管道208和供水出水口209。具体的，供水进水管道207分别连接供水进水口206和土样腔室202，供水出水管道208分别连接供水出水口209和土样腔室202；供水进水口206还与供水单元4连接，可以持续不断的将供水单元4的测试水分通过供水进水管道207通入土样腔室202中的膨胀土样201中，而膨胀土样201中多余的水分通过供水出水管道208和供水出水口209流出，实现了膨胀土样201含水率持续变化，达到连续测试的目的，实现膨胀土样201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201中的迁移过程，以此来分析膨胀力随含水率的变化过程。

在本实施例中，在膨胀土样201与供水组件之间设置了透水滤板210，可以更加均匀的向膨胀土样201通入测试水分，同时，在膨胀土样201与膨胀压力采集装置205之间也设置透水滤板210，以维持膨胀土样201的形状。

进一步的，为了能够更好的维持恒温腔室和土样腔室202的温度，在恒温腔室和土样腔室202的外围设置密封组件211，通过紧固构件与土样腔室202紧密固定连接，恒温腔室位于土样腔室202与密封组件211之间。在本实施例中，采用O型密封胶圈212作为紧固构件，O型密封胶圈212由PEEK(聚醚醚酮)材质制成，其为具有耐高温、自润滑、易加工和高机械强度等优异性能的特种工程塑料。

本实施例的膨胀土夹持单元2整体结构如图2所示。

在本实施例中，控温单元3用于控制膨胀土夹持单元2的测试温度，图3为本实施例采用的恒温水浴箱，包括温度调节模块301、加热装置302、温度感应装置303、控温液体、控温液出水口304和控温液进水口305。其中，温度调节模块301分别与加热装置302和温度感应装置303连接；加热装置302还与控温液出水口304和控温液进水口305连接，其内部装有控温液体。

在本实施例中，控温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201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201的扫描结果。

温度感应装置303用于监测电子氟化液的温度，得到控温液体温度数据；温度调节模块301用于根据控温液体温度数据控制加热装置302对内部存放的电子氟化液进行加热。在本实施例中，测试人员可根据实际测试温度需要，通过调整温度调节模块301，控制加热装置302对电子氟化液进行加热，温度感应装置303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，温度调节模块301可控制加热组件停止加热。进一步的，在本实施例中，增设循环水泵306，控温单元3通过控温液出水口304与膨胀土夹持单元2的恒温腔进水口214连接，在循环水泵306的泵流作用下，电子氟化液进入恒温腔室，电子氟化液在恒温腔室内将自身热量将传导至土样腔室202，恒温腔出水口215与控温液进水口305连接，电子氟化液再流回到控温单元3，此时电子氟化液的温度会降低，温度感应装置303监测到电子氟化液的温度下降后，温度调节模块301将控制加热装置302继续对电子氟化液进行加热，以通过电子氟化液维持土样腔室202的温度。这样就能形成控温单元3出水-恒温腔室进水-土样腔室202控温-恒温腔室出水-控温单元3进水这样的电子氟化液的水循环，从而使控温单元3能够维持恒温腔的温度。

供水单元4用于向膨胀土夹持单元2内部的膨胀土样201通入测试水分。

在本实施例中，为了配合持续测试膨胀土样201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，供水单元4采用蠕动泵401和蓄水装置的组合，如图4所示。

由于整体测试不需要太多水分，所以采用锥形瓶406作为蓄水装置。进一步的，蠕动泵401设有蠕动泵进水口402和蠕动泵出水口403；锥形瓶406设有蓄水进水口407和蓄水出水口408；蠕动泵401通过蠕动泵进水口402与锥形瓶406的蓄水出水口408连接，通过蠕动泵出水口403与供水组件的供水进水口206连接；这样，可以通过蠕动泵401控制通入膨胀土样201内的测试水分的水量和速率。

进一步的，将锥形瓶406通过蓄水进水口407与供水组件的供水出水口209连接，这样，通过锥形瓶406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201中的水量，也就是膨胀土样201中的水的体积。

在本实施例中，数据处理单元5包括土样温度模块502、膨胀压力模块503、数据处理模块501；数据处理模块501通过土样温度模块502与土样温度采集装置204连接；数据处理模块501还通过膨胀压力模块503与膨胀压力采集装置205连接。数据处理模块501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201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。

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。

本申请的结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试装置在进行膨胀力测试的流程如下，如图5所示，

S11.将膨胀土样201经模具压实至指定尺寸后，放入土样腔室202，布置好恒温腔室后，使用O型密封胶圈212紧固土样腔室202、恒温腔室和密封组件211，在膨胀土样201两端设置透水滤板210，安装膨胀压力采集装置205、土样温度采集装置204和供水单元4；其中，膨胀压力采集装置205、土样温度采集装置204分裂膨胀土样201两端并在同一轴线上，实时采集土样温度信号和土样压力信号；

S12.启动控温单元3，向膨胀土夹持单元2的恒温腔室通入电子氟化液，待膨胀土样201达到测试温度后，开启蠕动泵401，按照预先设定的水量和速度，向膨胀土样201通入测试水分；

S13.将膨胀土夹持单元2置于低场核磁共振仪内,施加CPMG序列和分层扫描序列，实时获取土样含水率变化数据和土层含水率变化数据；

S14.数据处理单元5的数据处理模块501实时采集膨胀压力采集装置205传来的土样压力信号、土样温度采集装置204传来的土样温度信号，分别得到膨胀压力数据和土样测试温度数据，结合低场核磁共振仪传来的土样含水率变化数据和土层含水率变化数据，得到膨胀土样201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，完成膨胀力测试，这样，不仅可以测得膨胀土样201因渗入水分而产生的膨胀力的变化，而且可以得到孔隙水在膨胀土样201中的迁移过程，以此来分析膨胀力随含水率的变化过程。

另外，在本实施例中，通过低场核磁共振仪获取土样含水率变化数据和土层含水率变化数据的方法包括以下步骤：

S21.采用低场核磁共振仪对膨胀土样201施加CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)序列，得到膨胀土样201的横向衰减曲线；

S22.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，可计算得到膨胀土样201的含水率；

S23.采用分层扫描系列SE-SPI，获得膨胀土样201的每层土的含水率，进而也可以明确孔隙水在膨胀土样201中的迁移过程，以此来分析膨胀力随含水率的变化过程。

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装置，其特征在于，包括：NMR单元(1)、膨胀土夹持单元(2)、控温单元(3)、供水单元(4)和数据处理单元(5)；

所述膨胀土夹持单元(2)分别连接所述数据处理单元(5)、所述控温单元(3)、所述供水单元(4)和所述NMR单元(1)；

所述膨胀土夹持单元(2)为中空结构，所述膨胀土夹持单元(2)内部放置有测试用的膨胀土样(201)；

所述NMR单元(1)单元还与所述数据处理单元(5)连接。

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装置，其特征在于，所述NMR单元(1)包括NMR数据模块(101)、CPMG模块(102)和分层扫描模块(103)；

所述NMR数据模块(101)分别与所述CPMG模块(102)和所述分层扫描模块(103)连接；

所述NMR数据模块(101)还与所述数据处理单元(5)连接。

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装置，其特征在于，所述膨胀土夹持单元(2)包括土样腔室(202)、恒温腔室、土样温度采集装置(204)、膨胀压力采集装置(205)；

所述土样腔室(202)为中空结构，所述土样温度采集装置(204)位于所述土样腔室(202)的一端，所述膨胀压力采集装置(205)位于所述土样腔室(202)的另一端；

所述土样腔室(202)、所述土样温度采集装置(204)和所述膨胀压力采集装置(205)构成所述膨胀土样(201)的放置空间；

所述恒温腔室包括恒温中空腔(213)、恒温腔进水口(214)和恒温腔出水口(215)；所述恒温中空腔(213)包裹在所述土样腔室(202)外围，所述恒温中空腔(213)分别通过所述恒温腔进水口(214)和所述恒温腔出水口(215)与所述控温单元(3)连接。

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装置，其特征在于，所述膨胀土夹持单元(2)还包括供水组件；

所述供水组件位于所述土样腔室(202)的一端，与所述膨胀压力采集装置(205)位置相对；

所述供水组件包括供水进水口(206)、供水进水管道(207)、供水出水管道(208)和供水出水口(209)；

所述供水进水管道(207)分别连接所述供水进水口(206)和所述土样腔室(202)；

所述供水出水管道(208)分别连接所述供水出水口(209)和所述土样腔室(202)；

所述供水进水口(206)还与所述供水单元(4)连接。

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装置，其特征在于，所述膨胀土夹持单元(2)还包括透水滤板(210)；

所述透水滤板(210)位于所述供水组件与所述膨胀土样(201)之间。

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装置，其特征在于，所述膨胀土夹持单元(2)还包括密封组件(211)和紧固构件；

所述密封组件(211)位于所述土样腔室(202)和所述恒温腔室的外围；

所述密封组件(211)与所述土样腔室(202)通过所述紧固构件连接。

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装置，其特征在于，所述控温单元(3)包括温度调节模块(301)、加热装置(302)、温度感应装置(303)、控温液体、控温液出水口(304)和控温液进水口(305)；

所述温度调节模块(301)分别与所述加热装置(302)和所述温度感应装置(303)连接；

所述加热装置(302)还与所述控温液出水口(304)和所述控温液进水口(305)连接；

所述加热装置(302)内有所述控温液体；

所述控温液出水口(304)与所述恒温腔进水口(214)连接，所述控温液进水口(305)与所述恒温腔出水口(215)连接。

8.根据权利要求4所述的结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试装置，其特征在于，所述供水单元(4)包括蠕动泵(401)和蓄水装置；

所述蠕动泵(401)设有蠕动泵进水口(402)和蠕动泵出水口(403)；

所述蓄水装置设有蓄水进水口(407)和蓄水出水口(408)；

所述蠕动泵(401)通过所述蠕动泵进水口(402)与所述蓄水装置的所述蓄水出水口(408)连接；

所述蠕动泵(401)通过所述蠕动泵出水口(403)与所述供水组件的所述供水进水口(206)连接；

所述蓄水装置通过所述蓄水进水口(407)与所述供水组件的所述供水出水口(209)连接。

9.根据权利要求3所述的结合NMR技术的膨胀土膨胀力测试装置，其特征在于，所述数据处理单元(5)包括数据处理模块(501)、土样温度模块(502)和膨胀压力模块(503)；

所述数据处理模块(501)通过所述土样温度模块(502)与所述土样温度采集装置(204)连接；

所述数据处理模块(501)还通过所述膨胀压力模块(503)与所述膨胀压力采集装置(205)连接。

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