【技术实现步骤摘要】
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。
技术介绍
1、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。
2、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。
技术实现思路
1、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。
2、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：
3、一种核磁共振与静力触探结合的土层原位测试装置，包括：
4、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；
5、
6、数据采集及分析系统，用于收集并分析测量数据。
7、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。
8、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。
9、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。
10、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。
11、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。
12、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。
13、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。
14、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。
15、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。
16、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。
17、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。
18、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：
19、步骤一：装置连接和准备；
20、步骤二：使用贯入动力系统将联合探头贯入土层；
21、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；
22、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；
23、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。
24、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：
25、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）：
26、(1)
27、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。
28、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：
29、按公式（2）计算土体的含水量：
30、(2)
31、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；
32、按公式（3）计算土体的含水率：
33、(3)
34、式（3）中，为核磁共振探头测量区域的总体积；为含水率。
35、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：
36、按公式（4）计算土体摩阻比：
37、(4)
38、式（4）中，为锥尖阻力，为侧壁摩阻力，为土体摩阻比；
39、按公式（5）计算总锥尖阻力：
40、(5)
41、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。
42、综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
43、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；
44、2.通过采用多个空心圆柱型磁铁组成变径的本文档来自技高网...
【技术保护点】
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：
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
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：
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：
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：
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：
...【技术特征摘要】
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：
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...
【专利技术属性】
技术研发人员：魏厚振，覃莹瑶，马晓龙，陈之祥，万勇，薛强，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：
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