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技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及岩土工程
，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。
技术介绍
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。本专利技术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；另一方面由于专利技术人做出本专利技术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，然而这绝非本专利技术不具备这些现有技术的特征，相反本专利技术已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在
技术介绍
中增加相关现有技术之权利。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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(mw,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(mw)Y∈[0,Y1]Ne＝f(mw,Y)＝f2(mw,Y)Y∈[Y1,Y2]0Y∈[Y2,∞]其中：Ne为非均匀区任一点单位水含量的NMR信号量；mw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,本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
20200109 CN 20201002170951.一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。


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。


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试样所处位置以及水含量间的函数关系N＝f(mw,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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东阳，刘波，王波，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11