一种渗流作用下砂土介质细观结构变化的监测装置及方法

摘要

本发明公开了一种渗流作用下砂土介质细观结构变化的监测装置，包括核磁共振分析与成像系统和渗流系统，渗流系统包括水箱、试验固定装置、试样填充装置、测压管以及量筒；试样填充装置固定于核磁共振分析与成像系统内，一端连接水箱，一端连接收集装置；水箱固定于高处，试样填充装置两端设置有测压管。还公开了监测方法：逐渐改变水箱高度，对试样施加CPMG信号，根据核磁共振分析系统可得到试样T

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程、水利工程技术领域，具体涉及一种渗流作用下砂土介质细观结构变化的监测装置，还涉及了其监测方法。

背景技术

砂土介质材料广泛分布在自然界，且被大量运用为岩土工程材料，如地基基础材料、大坝坝壳料和边坡材料。研究表明由砂土介质材料组成的岩土结构经常发生渗透破坏(流土、管涌和颗粒水力侵蚀等)，从而发生地基失稳、边坡滑移等地质灾害。为预防此类地质灾害的发生，需了解砂土介质材料在渗流作用下结构的变化情况，从而提出相应预防措施。

对监测砂土介质材料结构变化的研究多为宏观试验和数值模拟试验。宏观试验多为砂土材料直剪试验和基础渗流试验等，监测粘滞系数、渗透系数等宏观参数的变化。并通过这些宏观参数反映砂土介质材料在渗流作用下的结构的变化情况。然而宏观试验大多不能做到实时、无损监测砂土介质的结构变化，并且细观结构参数(孔隙大小分布、自由水与束缚水的比例关系、孔隙连通性等)相比宏观结构参数能更好反映砂土介质材料渗流作用下的结构变化情况。数值模拟试验虽能很好模拟砂土介质结构的变化情况，然而有些结构变化情况并不符合实际试验变化。因此有必要存在一种能实时、无损监测砂土介质细观变化的方法，预测渗流作用下砂土介质渗流破坏程度。

发明内容

本发明的目的是提供一种渗流作用下砂土介质细观结构变化的监测装置。

本发明的另一目的是提供采用上述装置的监测方法，解决了现有监测方法不能进行实时、无损监测砂土介质细观结构变化的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种渗流作用下砂土介质细观结构变化的监测装置，包括核磁共振分析与成像系统和渗流系统，渗流系统包括水箱、试验固定装置、试样填充装置、测压管以及量筒；试样填充装置固定于核磁共振分析与成像系统的信号采集系统内，一端与外部的水箱连接，另一端与外部的收集装置连接；水箱通过试验固定装置固定于高处，试样填充装置两端设置有测压管。

本发明的特点还在于：

试验固定装置具有可调节水箱高度的结构。

水箱内部设置隔板。

试样填充装置的进水口和出水口设有过滤纱网。

核磁共振分析与成像系统内设置有用于固定试样填充装置的固定板夹。

本发明所采用的另一个技术方案是，一种渗流作用下砂土介质细观结构变化的监测方法，使用上述检测装置，包括以下步骤：

步骤1，测试准备

将砂土介质按土工试验填入试样填充装置，试样填充装置连接水箱、量筒和测压管，通水排气后将试样填充装置放入核磁共振信号采集系统中；对试样施加水力坡降至试样处于完全饱和状态；

步骤2，测试砂土介质初始结构特性

对试样施加CPMG(可排除磁场均匀性干扰的脉冲序列)信号，根据核磁共振分析系统可得到试样T₂谱(自旋弛豫时间)，根据T₂谱计算试样初始的物理性质；利用核磁共振成像系统扫描试样内部各截面，得到砂土介质内部初始截面图像；

步骤3，测试砂土介质不同水力坡降下的结构特性

按一定梯度依次提高水箱高度，以获得逐渐增大的水力坡降，并在施加水力坡降相同时间后，对试样再一次施加CPMG信号和扫描试样内部各截面，从而得到不同水力坡降下砂土介质的结构特性；

步骤4，测试砂土介质最大水力坡降的结构特性

在最大水力坡降下，在不同的时间下，对试样施加CPMG信号和核磁共振成像系统扫描试样内部截面，得到该水力坡降下不同时间段砂土介质的结构特性；

步骤5，分析步骤2-4得到的试验数据，获得砂土介质不同水力坡降下细观结构的变化情况。

本发明的有益效果是，本发明的监测装置借助了核磁共振的优势，能快速、无损监测多孔介质孔隙信息，并且从细观角度出发，得到砂土介质孔隙分布、连通性、内部界面孔隙分布等细观参数，相比宏观角度更合理揭示砂土介质的渗流过程。该监测装置使渗流装置融合在监测装置内部，渗流和监测过程中试样不发生任何移动，不需要反复拆卸装置，可完全实现无损实时检测。在不同工况下连续测量试样的信息，具有方便、可靠的优势。

附图说明

图1是本发明监测装置的结构示意图；

图2是本发明监测方法的流程图；

图3是实施例砂土混合体不同水力坡降下孔隙分布；

图4是实施例砂土混合体同一水力坡降下孔隙分布；

图5是实施例砂土混合体在最大水力坡降下不同时间段砂土混合体孔隙分布；

图6是实施例砂土混合体总孔隙、自由水孔隙与渗透率的关系；

图7是实施例砂土混合体总孔隙和自由水孔隙随时间变化关系。

图中，1.水箱，2.信号发射装置，3.梯度装置，4.温控装置，5.水管，6.测压管，7.核磁共振分析与成像系统，8.核磁共振信号采集系统，9.试样填充装置，10.量筒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。

本发明的监测装置如图1所示，包括核磁共振分析与成像系统和渗流系统，核磁共振分析与成像系统7包括核磁共振信号采集系统8、梯度装置3、温控装置4以及信号发射装置2，渗流系统包括水箱1、试验固定装置、试样填充装置9、测压管6以及量筒10。试样填充装置9位于核磁共振信号采集系统8内，且核磁共振信号采集系统内有固定装置保证试样填充装置不发生移动，一端通过软管5与位于核磁共振系统外的水箱1连接，另一端通过软管与位于核磁共振系统外的量筒10连接。水箱1通过试验固定装置固定于高处，水流从试样填充装置9一端流入，从试样填充装置另一端流出的水流进入量筒。测压管6设置于试样填充装置两端，用于检测进出水管压力变化。试验固定装置可根据水力坡降要求自由调节高度，使得水箱提供符合要求的水量。水箱内部隔板能保证水箱相对水位恒定。试样填充装置9固定在本装置中实施在线无损监测，需注意渗漏、试验前期排气及试样填充装置移动等问题。本装置进出水口和填充区采用螺纹和特殊橡皮垫(防渗性能较好)连接，防止试样填充装置漏水，且螺纹连接有利于试验填充。本装置把测压管作为试验前期排气，解决试验前期排气问题。为保证试样填充装置再监测过程不发生移动，在试样填充装置前后设有用于固定填充装置的固定装置，固定装置为2个机玻璃材质的固定夹板，利用固定夹板夹住核磁共振信号采集系统，利用前后夹板抵住填充装置，使其固定。为保证试验过程中，砂土因冲刷淤堵在试样填充装置的进出水口和软管，进出水口设有过滤纱网。

采用上述装置监测渗流作用下砂土介质细观结构变化的方法如图2所示：

步骤1，测试准备

采用70％砂子、30％黏土的砂土混合体作为试样，将试样按土工试验填入试样填充装置，试样填充装置上连接水箱、量筒和测压管，通水排气后将试样填充装置放入核磁共振信号采集系统中。对试样施加0-1.5的水力坡降，通水4h以上让试样处于完全饱和状态(小水力坡降不至于改变砂土介质性质)。

步骤2，测试砂土介质初始结构特性

然后对试样施加CPMG信号，根据MesoMR23-060H-I中尺寸核磁共振分析系统可得到试样T₂谱，试样T₂谱类似于试样孔隙分布，且T2值与孔隙直径有如下关系：

r＝cT₂

其中r为孔隙直径；c为变换系数(um/ms)，可通过恒速压汞试验测得。

再根据T₂谱计算试样的其他物理性质，孔隙率、NMR渗透率以及自由水含量等信息。

再利用MesoMR23-060H-I中尺寸核磁共振成像系统扫描试样内部截面，得到砂土介质内部截面成像。以此得到初始时刻砂土介质的结构特性。

步骤3，测试砂土介质不同水力坡降下的结构特性

按一定梯度依次提高水箱高度，以获得逐渐增大的水力坡降，并在施加水力坡降相同时间后，对试样再一次施加CPMG信号和扫描试样内部截面，从而得到不同水力坡降下砂土介质的结构特性。

步骤4，测试砂土介质最大水力坡降的结构特性

在最大水力坡降下，在不同的时间下对试样施加CPMG信号和核磁共振成像系统扫描试样内部截面，得到该水力坡降下不同时间段砂土介质的结构特性。

步骤5，分析步骤2-4得到的试验数据，获得砂土介质不同水力坡降下细观结构的变化情况。

本装置主要优势体现在，不需要反复拆卸装置，可使渗流装置与监测装置融合成一个装置，渗流和监测过程中试样不发生任何移动，可完全实现无损实时检测。

为了说明本发明的装置和方法能够实现实时无损监测，进行以下实验。

选取自然界常见的砂土混合体，按照土工击实试验，制备重塑试样。为保证重塑试样的性质接近原状砂土混合体性质，制作的试样时不可以改变砂石的含量比、级配等其他性质，制作之后养护28天，以提高重塑土中自由水转化为结合水的概率，让重塑砂土的强度接近原状砂土。其中砂子与黏土重量比例为7:3，黏土直径范围为0-2.25mm，砂子直径范围为1-2.5mm。试样高度为55mm，直径45mm，试样数量为6个。对6个试样进行平行试验，对比6组试验结果，选取最具有代表性一组试验数据进行分析。

MesoMR23-060H-I中尺寸核磁共振分析与成像系统参数为：TE(90脉冲中心到回波中心的时间间隔)＝0.6ms,TW(重复采样等待时间)＝4s，echo numbers(180度射频脉冲个数)＝8000，scanning numbers(扫描次数)＝64，仪器内部系统温度稳定32℃。成像slies width(选层层厚)＝3mm。

本实验中，试样填充装置的进水口和出水口直径为4mm，试样填充区高50mm、直径45mm。试验固定装置的固定结构主体呈棱台形状，高2.9m、上长0.6m、下长2.1m、宽1.5m，左侧有一扶梯用于检修，固定结构主体顶部固定有用于调节水箱高度的滑轮，滑轮沉重上限为1.5t。水箱尺寸为300×300×300mm，水箱的进水口位于水箱右侧面底部，出水口位于水箱底面中间部位，用于给试样提供水力坡降的稳定水位出水口位于水箱左侧面距底面203mm，进水口和出水口直径12mm。水箱可调节高度为0.9m-2.6m。

按本发明试验步骤，对样品施加10、15、18、20和23水力坡降，测量不同水力坡降下砂土介质材料细观结构。在水力坡降为23下，测量15min、60min、90min、150min和180min下砂土介质材料细观结构。

实验结果如下。

图3是砂土混合体不同水力坡降下孔隙分布，由图3可知砂土混合体T₂谱存在三峰，左锋代表微小孔隙，中锋代表中等孔隙，右锋代表大孔隙和裂隙。可知砂土介质孔隙发育良好，存在大量微小孔隙和中等孔隙，且孔隙连通性较好。随着水力坡降增加，峰面积增大，峰向右推。可知各孔隙类型体积都有一定程度增加，孔隙直径变大和连通性变好，且砂土介质颗粒粘聚力下降。

图4是砂土混合体在水力坡降等于23的情况下，不同时间段砂土混合体孔隙分布。由图4知孔隙体积和孔隙数量随着时间增加而增加，且时间越长越明显，大孔隙明显变多，且孔隙直径变大(T₂值右移)。

在渗流过程中，水压力扩张孔隙，使孔隙数量变多和孔隙体积变大，导致孔隙连通性变好以及介质颗粒粘聚力变小。在较大水力坡降下，时间越长，砂土介质出现裂隙，小颗粒冲刷出孔隙等现象。

表1砂土混合体渗流过程细观变化情况

表1为砂土混合体渗流过程中总孔隙、自由水孔隙与渗透率变化情况。由表可知总孔隙、自由水孔隙与渗透率都有一定增长。

图5是砂土混合体总孔隙、自由水孔隙与渗透率的关系。由表1和图5可知：孔隙和介质渗透率存在指数关系，在低孔隙阶段渗透率增长较慢，随着孔隙增多渗透率增长速率加大。且自由水孔隙对渗透率的影响比结合水大。图6是砂土混合体总孔隙和自由水孔隙随时间变化关系。在渗流作用180min下，总孔隙和自由水孔隙增长不大，但渗透率增长明显。

由上可知，砂土混合体在渗流作用下孔隙数量增多，且孔隙直径和体积变大，导致混合体孔隙连通性变好，渗流通道变多以及混合体颗粒间粘聚力变小，从而渗透率上升以及颗粒被拖拽，加速了混合体的渗透破坏。同时得到混合体的孔隙-渗透率的关系以及随时间变化情况，以此可以通过细观结构变化预测砂土混合体的破坏程度等信息。

图7是水力坡降等于23的情况下，不同时间段砂土混合体内部界面孔隙分布图。其中黑色为幕布、白色代表孔隙。白色范围越多且越亮代表孔隙越大且连通性越好。由图可知孔隙体积和孔隙数量随着时间增加而增加且时间越长越明显，孔隙连通性显著提高，且孔隙分布变大。

由以上实验可看出，本发明装置做到了实时在线监测，可在不同时间段对试样进行无损检测，且渗流过程不被打断(反复中断渗流过程，不符合天然砂土介质渗流规律)；在测量精度上，本发明在渗流和监测过程中试样不发生任何移动，可以监测试样不同工况同一断面的孔隙变化，且试样始终饱和状态，测量的细观结构参数更精确。本发明装置操作简单，拥有实时无损监测优势。