【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种联合声波与低场核磁共同测试分析冻土声学性质的方法和装置，属于冻土试验领域。
技术介绍
1、目前地球北半球约24％的区域被永久冻土覆盖，冻土的特征对这些地区的基础设施建设，重大工程实施，资源勘探开发等人类活动起着至关重要的作用。已有研究成果表明，冻土的升温退化可能会引发岩质边坡崩塌、路基沉降和隧道坍塌等严重地质灾害。与此同时，冻土区域蕴含着丰富的化石燃料，如石油和天然气水合物。因此，研究不同类型冻土的物理特性；确定冻融区、冻土上限、冻土厚度；了解冻土结构和地面冰的分布是冻土区域进行人类活动的重要前提。
2、冻土的特征包括物理特性(如未冻水、冰和孔隙度)和力学特性(如体积模量和剪切模量，或压缩和剪切波速)。声波测试是研究冻土物理力学性质的有效途径之一，其具有快速、简便以及对被测物无损等优点。冻土中声波传播速度和衰减特性等信息可用于确定冻土动弹性模量等参数，同时对于冻土区域的地震及声波测井勘探有重要意义。冻土的孔隙中含有冰、未冻结的水和少量气体(包括水蒸气)，这些气体对永久冻土的性质只有很小的影响。孔隙水分的相平衡在气候温度的影响下发生变化：冰含量随着温度的降低而增加，而未冻结的水量随着温度的升高而增加。孔隙水分的固体(冰)和液体(水)成分百分比的变化会影响冻土声学性质。
3、现有技术对于冻土声学性质的测试通常基于已有经验建立声波速度与未冻水含量的对应关系，从而导致测试结果的误差较大，因此有必要针对未冻水的具体含量数据进行精确地测定。现有用于测量未冻水含量的测试手段包括时域反射法(tdr)、差
4、所述时域反射法需要通过测定土层介电常数，建立不同的标定曲线来确定土体含水量。所述差示扫描量热法将测得补给热量值进行一系列计算得到未冻水含量值，这两种方法的测试过程比较繁琐且受到的条件限制较多。所述低场核磁共振法测定氢核在磁场中的自由感应衰减，根据信号强度与液态水的比例关系计算出未冻水含量，此类方法由于测试精度较高、测试速度快等优点而被较多的研究机构采用。
5、虽然冻土的声学性质测试与低场核磁测试都有单独的案例以及相关研究，但是联合采集具有一定的困难，究其原因主要是原位测试声波探头会给核磁信号带去干扰，非原位对测试数据的可靠性带来了挑战。
6、有鉴于此，特提出本专利申请。
技术实现思路
1、本专利技术所述应用低场核磁联合分析冻土声学性质的方法及其装置，在于解决上述现有技术存在的问题而联合声波与低场核磁两种不同类型的测试手段以获得冻土声学性质与未冻水含量之间的定量分析指标，以达到有效提高冻土声学性质分析能力和数据准确性的目的。
2、为实现上述设计目的，所述应用低场核磁联合分析冻土声学性质的方法，采取固体缓冲法声波测试，在冻土试样的两端设置材质为核磁共振相容性材料的探头缓冲块；测试方法包括以下步骤：
3、步骤a、冻土试样两端声波旅行时间的标定
4、步骤b、声波测试
5、步骤c、计算未冻水含量
6、分别对冻土试样模拟进行低温冻结与升温解冻过程；
7、依据计算在冻结或升温状态下的未冻水含量，其中sw(t)处于冻结或升温温度t时的未冻水百分比；fidfrozen(t)冷冻试样在冷冻或升温温度t时的fid值；fidsaturated是室温下完全饱和样品的fid值；
8、步骤d、测试分析声波速度变化
9、分别在冻土试样低温冻结与升温解冻过程中，采用核磁共振仪测量横向弛豫谱曲线以获得冻结或升温后的自由感应衰变fid信号；采用超声波测试冻土试样的声波信号以计算纵横波速度；
10、步骤e、量化声学特性
11、上述测试步骤得到的数据冻结与解冻过程中温度与未冻水含量、以及对应的声波测试数据，其声学性质与未冻水含量的表达公式为，其中wu是未冻水含量，v是测量得到的声波速度，vf是完全冻结状态下测得的超声波速度；
12、vd＝vf-vu为完全冷冻后与冷冻前、或升温后与升温前的超声波速度差值。
13、进一步地，所述的核磁共振相容性材料包括但不仅限于非磁性、生物相容性和/或电子不活跃材料。
14、进一步地，所述的步骤a，在冻土试样两端分别成对地设置声波探头与探头缓冲块；将声波探头与探头缓冲块分别对接夹紧；发射声波脉冲以得到首波的到达时间记为t，超声探头系统的固有时间为记为t0，则冻土试样两端探头缓冲块的声波旅行时间记为t1＝t-t0。
15、进一步地，所述的步骤b，将含水的冻土试样装入测试装置中，通入孔压后测量冻土试样的横向弛豫谱曲线以得到初始自由感应衰变fid信号；调整声波探头，测试冻土试样的声波信号以计算此时的纵横波速度，纵横波速度的计算公式为，其中l是冻土试样两端的上、下声波探头之间的距离，t是依据声波测试的波形信号读取的首波到达时间，t0是超声探头系统的固有时间，t1是声波透射冻土试样两端探头缓冲块所需的时间。
16、基于上述应用低场核磁联合分析冻土声学性质的方法，本申请同时提出下述测试装置，该测试装置包括外接低场核磁共振分析仪的反应釜、冻土试样两端分别连接测试系统的孔压控制模块、围压控制模块和数据测量模块；在反应釜内部的氟化油环充腔中设置冻土试样、在反应釜本体外周包裹射频线圈，在反应釜两端分别设置反应釜上端盖、反应釜下端盖；在冻土试样的两端分别成对地连接上探头缓冲块和上声波探头、下探头缓冲块和下声波探头；反应釜上端盖中设置有轴向的孔压出口和氟化油出口、以及连接冻土试样的热电偶，反应釜下端盖中设置有轴向的孔压入口和氟化油入口。
17、进一步地，所述反应釜上端盖、反应釜下端盖均与反应釜本体的外径相同。
18、进一步地，所述反应釜上端盖、反应釜下端盖的内径分别通过数个密封圈与上声波探头、上探头缓冲块，下声波探头、下探头缓冲块实现密封连接。
19、进一步地，所述的围压控制模块包括依次连通的常温常压氟化油储罐、围压加载泵、低温水浴槽、低温高压氟化油储罐、高压氟化油循环泵所构成的围压循环管路。
20、进一步地，所述的孔压控制模块包括高压气瓶、设置有孔压压力传感器的孔压管路，高压气体经过孔压管路进入冻土试样中。
21、进一步地，所述的数据测量模块包括连接并数据收集下声波探头、上声波探头、围压压力传感器、孔压压力传感器、热电偶的数据采集器、以及核磁信号采集系统。
22、综上，所述应用低场核磁联合分析冻土声学性质的方法及其装置具有的优点是：本申请在采用固体缓冲法探测冻土试样的声学分析过程中结合低场核磁测试手段，从而准确地测量并分析得出未冻水含量与冻土声学性质之间的定量关系，弥补了现有技术采取单一测量技术造成的缺陷，通过原位数据提高了声学测量结果的可靠性与准确性，从而能够为冻土区域的基础设施建设和资源勘探提供坚实支撑。
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1.一种应用低场核磁联合分析冻土声学性质的方法，其特征在于：采取固体缓冲法声波测试，在冻土试样的两端设置材质为核磁共振相容性材料的探头缓冲块；
2.根据权利要求1所述的应用低场核磁联合分析冻土声学性质的方法，其特征在于：所述的核磁共振相容性材料包括但不仅限于非磁性、生物相容性和/或电子不活跃材料。
3.根据权利要求1所述的应用低场核磁联合分析冻土声学性质的方法，其特征在于：所述的步骤A，在冻土试样两端分别成对地设置声波探头与探头缓冲块；将声波探头与探头缓冲块分别对接夹紧；
4.根据权利要求1所述的应用低场核磁联合分析冻土声学性质的方法，其特征在于：所述的步骤B，将含水的冻土试样装入测试装置中，通入孔压后测量冻土试样的横向弛豫谱曲线以得到初始自由感应衰变FID信号；
5.如权利要求1至4任一所述应用低场核磁联合分析冻土声学性质的方法的测试装置，其特征在于：包括外接低场核磁共振分析仪的反应釜、冻土试样两端分别连接测试系统的孔压控制模块、围压控制模块和数据测量模块；
6.根据权利要求5所述的应用低场核磁联合分析冻土声学性质的测
7.根据权利要求6所述的应用低场核磁联合分析冻土声学性质的测试装置，其特征在于：所述反应釜上端盖、反应釜下端盖的内径分别通过数个密封圈与上声波探头、上探头缓冲块，下声波探头、下探头缓冲块实现密封连接。
8.根据权利要求7所述的应用低场核磁联合分析冻土声学性质的测试装置，其特征在于：所述的围压控制模块包括依次连通的常温常压氟化油储罐、围压加载泵、低温水浴槽、低温高压氟化油储罐、高压氟化油循环泵所构成的围压循环管路。
9.根据权利要求7所述的应用低场核磁联合分析冻土声学性质的测试装置，其特征在于：所述的孔压控制模块包括高压气瓶、设置有孔压压力传感器的孔压管路，高压气体经过孔压管路进入冻土试样中。
10.根据权利要求7所述的应用低场核磁联合分析冻土声学性质的测试装置，其特征在于：所述的数据测量模块包括连接并数据收集下声波探头、上声波探头、围压压力传感器、孔压压力传感器、热电偶的数据采集器、以及核磁信号采集系统。
...【技术特征摘要】
1.一种应用低场核磁联合分析冻土声学性质的方法，其特征在于：采取固体缓冲法声波测试，在冻土试样的两端设置材质为核磁共振相容性材料的探头缓冲块；
2.根据权利要求1所述的应用低场核磁联合分析冻土声学性质的方法，其特征在于：所述的核磁共振相容性材料包括但不仅限于非磁性、生物相容性和/或电子不活跃材料。
3.根据权利要求1所述的应用低场核磁联合分析冻土声学性质的方法，其特征在于：所述的步骤a，在冻土试样两端分别成对地设置声波探头与探头缓冲块；将声波探头与探头缓冲块分别对接夹紧；
4.根据权利要求1所述的应用低场核磁联合分析冻土声学性质的方法，其特征在于：所述的步骤b，将含水的冻土试样装入测试装置中，通入孔压后测量冻土试样的横向弛豫谱曲线以得到初始自由感应衰变fid信号；
5.如权利要求1至4任一所述应用低场核磁联合分析冻土声学性质的方法的测试装置，其特征在于：包括外接低场核磁共振分析仪的反应釜、冻土试样两端分别连接测试系统的孔压控制模块、围压控制模块和数据测量模块；
6.根据权利要求5所述的应用低场核...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵文高，卜庆涛，胡高伟，万义钊，李承峰，纪云开，王佳贤，刘昌岭，刘童，
申请(专利权)人：青岛海洋地质研究所，
类型：发明
国别省市：
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