本發(fā)明屬于巖土工程、水利工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種滲流作用下砂土介質(zhì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的監(jiān)測(cè)裝置，還涉及了其監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

砂土介質(zhì)材料廣泛分布在自然界，且被大量運(yùn)用為巖土工程材料，如地基基礎(chǔ)材料、大壩壩殼料和邊坡材料。研究表明由砂土介質(zhì)材料組成的巖土結(jié)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生滲透破壞(流土、管涌和顆粒水力侵蝕等)，從而發(fā)生地基失穩(wěn)、邊坡滑移等地質(zhì)災(zāi)害。為預(yù)防此類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，需了解砂土介質(zhì)材料在滲流作用下結(jié)構(gòu)的變化情況，從而提出相應(yīng)預(yù)防措施。

對(duì)監(jiān)測(cè)砂土介質(zhì)材料結(jié)構(gòu)變化的研究多為宏觀試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)。宏觀試驗(yàn)多為砂土材料直剪試驗(yàn)和基礎(chǔ)滲流試驗(yàn)等，監(jiān)測(cè)粘滯系數(shù)、滲透系數(shù)等宏觀參數(shù)的變化。并通過(guò)這些宏觀參數(shù)反映砂土介質(zhì)材料在滲流作用下的結(jié)構(gòu)的變化情況。然而宏觀試驗(yàn)大多不能做到實(shí)時(shí)、無(wú)損監(jiān)測(cè)砂土介質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，并且細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)(孔隙大小分布、自由水與束縛水的比例關(guān)系、孔隙連通性等)相比宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)能更好反映砂土介質(zhì)材料滲流作用下的結(jié)構(gòu)變化情況。數(shù)值模擬試驗(yàn)雖能很好模擬砂土介質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化情況，然而有些結(jié)構(gòu)變化情況并不符合實(shí)際試驗(yàn)變化。因此有必要存在一種能實(shí)時(shí)、無(wú)損監(jiān)測(cè)砂土介質(zhì)細(xì)觀變化的方法，預(yù)測(cè)滲流作用下砂土介質(zhì)滲流破壞程度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種滲流作用下砂土介質(zhì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的監(jiān)測(cè)裝置。

本發(fā)明的另一目的是提供采用上述裝置的監(jiān)測(cè)方法，解決了現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法不能進(jìn)行實(shí)時(shí)、無(wú)損監(jiān)測(cè)砂土介質(zhì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的問(wèn)題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種滲流作用下砂土介質(zhì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的監(jiān)測(cè)裝置，包括核磁共振分析與成像系統(tǒng)和滲流系統(tǒng)，滲流系統(tǒng)包括水箱、試驗(yàn)固定裝置、試樣填充裝置、測(cè)壓管以及量筒；試樣填充裝置固定于核磁共振分析與成像系統(tǒng)的信號(hào)采集系統(tǒng)內(nèi)，一端與外部的水箱連接，另一端與外部的收集裝置連接；水箱通過(guò)試驗(yàn)固定裝置固定于高處，試樣填充裝置兩端設(shè)置有測(cè)壓管。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：

試驗(yàn)固定裝置具有可調(diào)節(jié)水箱高度的結(jié)構(gòu)。

水箱內(nèi)部設(shè)置隔板。

試樣填充裝置的進(jìn)水口和出水口設(shè)有過(guò)濾紗網(wǎng)。

核磁共振分析與成像系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置有用于固定試樣填充裝置的固定板夾。

本發(fā)明所采用的另一個(gè)技術(shù)方案是，一種滲流作用下砂土介質(zhì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的監(jiān)測(cè)方法，使用上述檢測(cè)裝置，包括以下步驟：

步驟1，測(cè)試準(zhǔn)備

將砂土介質(zhì)按土工試驗(yàn)填入試樣填充裝置，試樣填充裝置連接水箱、量筒和測(cè)壓管，通水排氣后將試樣填充裝置放入核磁共振信號(hào)采集系統(tǒng)中；對(duì)試樣施加水力坡降至試樣處于完全飽和狀態(tài)；

步驟2，測(cè)試砂土介質(zhì)初始結(jié)構(gòu)特性

對(duì)試樣施加CPMG(可排除磁場(chǎng)均勻性干擾的脈沖序列)信號(hào)，根據(jù)核磁共振分析系統(tǒng)可得到試樣T₂譜(自旋弛豫時(shí)間)，根據(jù)T₂譜計(jì)算試樣初始的物理性質(zhì)；利用核磁共振成像系統(tǒng)掃描試樣內(nèi)部各截面，得到砂土介質(zhì)內(nèi)部初始截面圖像；

步驟3，測(cè)試砂土介質(zhì)不同水力坡降下的結(jié)構(gòu)特性

按一定梯度依次提高水箱高度，以獲得逐漸增大的水力坡降，并在施加水力坡降相同時(shí)間后，對(duì)試樣再一次施加CPMG信號(hào)和掃描試樣內(nèi)部各截面，從而得到不同水力坡降下砂土介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性；

步驟4，測(cè)試砂土介質(zhì)最大水力坡降的結(jié)構(gòu)特性

在最大水力坡降下，在不同的時(shí)間下，對(duì)試樣施加CPMG信號(hào)和核磁共振成像系統(tǒng)掃描試樣內(nèi)部截面，得到該水力坡降下不同時(shí)間段砂土介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性；

步驟5，分析步驟2-4得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得砂土介質(zhì)不同水力坡降下細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化情況。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的監(jiān)測(cè)裝置借助了核磁共振的優(yōu)勢(shì)，能快速、無(wú)損監(jiān)測(cè)多孔介質(zhì)孔隙信息，并且從細(xì)觀角度出發(fā)，得到砂土介質(zhì)孔隙分布、連通性、內(nèi)部界面孔隙分布等細(xì)觀參數(shù)，相比宏觀角度更合理揭示砂土介質(zhì)的滲流過(guò)程。該監(jiān)測(cè)裝置使?jié)B流裝置融合在監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)部，滲流和監(jiān)測(cè)過(guò)程中試樣不發(fā)生任何移動(dòng)，不需要反復(fù)拆卸裝置，可完全實(shí)現(xiàn)無(wú)損實(shí)時(shí)檢測(cè)。在不同工況下連續(xù)測(cè)量試樣的信息，具有方便、可靠的優(yōu)勢(shì)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明監(jiān)測(cè)方法的流程圖；

圖3是實(shí)施例砂土混合體不同水力坡降下孔隙分布；

圖4是實(shí)施例砂土混合體同一水力坡降下孔隙分布；

圖5是實(shí)施例砂土混合體在最大水力坡降下不同時(shí)間段砂土混合體孔隙分布；

圖6是實(shí)施例砂土混合體總孔隙、自由水孔隙與滲透率的關(guān)系；

圖7是實(shí)施例砂土混合體總孔隙和自由水孔隙隨時(shí)間變化關(guān)系。

圖中，1.水箱，2.信號(hào)發(fā)射裝置，3.梯度裝置，4.溫控裝置，5.水管，6.測(cè)壓管，7.核磁共振分析與成像系統(tǒng)，8.核磁共振信號(hào)采集系統(tǒng)，9.試樣填充裝置，10.量筒。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施方式。

本發(fā)明的監(jiān)測(cè)裝置如圖1所示，包括核磁共振分析與成像系統(tǒng)和滲流系統(tǒng)，核磁共振分析與成像系統(tǒng)7包括核磁共振信號(hào)采集系統(tǒng)8、梯度裝置3、溫控裝置4以及信號(hào)發(fā)射裝置2，滲流系統(tǒng)包括水箱1、試驗(yàn)固定裝置、試樣填充裝置9、測(cè)壓管6以及量筒10。試樣填充裝置9位于核磁共振信號(hào)采集系統(tǒng)8內(nèi)，且核磁共振信號(hào)采集系統(tǒng)內(nèi)有固定裝置保證試樣填充裝置不發(fā)生移動(dòng)，一端通過(guò)軟管5與位于核磁共振系統(tǒng)外的水箱1連接，另一端通過(guò)軟管與位于核磁共振系統(tǒng)外的量筒10連接。水箱1通過(guò)試驗(yàn)固定裝置固定于高處，水流從試樣填充裝置9一端流入，從試樣填充裝置另一端流出的水流進(jìn)入量筒。測(cè)壓管6設(shè)置于試樣填充裝置兩端，用于檢測(cè)進(jìn)出水管壓力變化。試驗(yàn)固定裝置可根據(jù)水力坡降要求自由調(diào)節(jié)高度，使得水箱提供符合要求的水量。水箱內(nèi)部隔板能保證水箱相對(duì)水位恒定。試樣填充裝置9固定在本裝置中實(shí)施在線無(wú)損監(jiān)測(cè)，需注意滲漏、試驗(yàn)前期排氣及試樣填充裝置移動(dòng)等問(wèn)題。本裝置進(jìn)出水口和填充區(qū)采用螺紋和特殊橡皮墊(防滲性能較好)連接，防止試樣填充裝置漏水，且螺紋連接有利于試驗(yàn)填充。本裝置把測(cè)壓管作為試驗(yàn)前期排氣，解決試驗(yàn)前期排氣問(wèn)題。為保證試樣填充裝置再監(jiān)測(cè)過(guò)程不發(fā)生移動(dòng)，在試樣填充裝置前后設(shè)有用于固定填充裝置的固定裝置，固定裝置為2個(gè)機(jī)玻璃材質(zhì)的固定夾板，利用固定夾板夾住核磁共振信號(hào)采集系統(tǒng)，利用前后夾板抵住填充裝置，使其固定。為保證試驗(yàn)過(guò)程中，砂土因沖刷淤堵在試樣填充裝置的進(jìn)出水口和軟管，進(jìn)出水口設(shè)有過(guò)濾紗網(wǎng)。

采用上述裝置監(jiān)測(cè)滲流作用下砂土介質(zhì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的方法如圖2所示：

步驟1，測(cè)試準(zhǔn)備

采用70％砂子、30％黏土的砂土混合體作為試樣，將試樣按土工試驗(yàn)填入試樣填充裝置，試樣填充裝置上連接水箱、量筒和測(cè)壓管，通水排氣后將試樣填充裝置放入核磁共振信號(hào)采集系統(tǒng)中。對(duì)試樣施加0-1.5的水力坡降，通水4h以上讓試樣處于完全飽和狀態(tài)(小水力坡降不至于改變砂土介質(zhì)性質(zhì))。

步驟2，測(cè)試砂土介質(zhì)初始結(jié)構(gòu)特性

然后對(duì)試樣施加CPMG信號(hào)，根據(jù)MesoMR23-060H-I中尺寸核磁共振分析系統(tǒng)可得到試樣T₂譜，試樣T₂譜類(lèi)似于試樣孔隙分布，且T2值與孔隙直徑有如下關(guān)系：

r＝cT₂

其中r為孔隙直徑；c為變換系數(shù)(um/ms)，可通過(guò)恒速壓汞試驗(yàn)測(cè)得。

再根據(jù)T₂譜計(jì)算試樣的其他物理性質(zhì)，孔隙率、NMR滲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統(tǒng)掃描試樣內(nèi)部截面，得到砂土介質(zhì)內(nèi)部截面成像。以此得到初始時(shí)刻砂土介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性。

步驟3，測(cè)試砂土介質(zhì)不同水力坡降下的結(jié)構(gòu)特性

按一定梯度依次提高水箱高度，以獲得逐漸增大的水力坡降，并在施加水力坡降相同時(shí)間后，對(duì)試樣再一次施加CPMG信號(hào)和掃描試樣內(nèi)部截面，從而得到不同水力坡降下砂土介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性。

步驟4，測(cè)試砂土介質(zhì)最大水力坡降的結(jié)構(gòu)特性

在最大水力坡降下，在不同的時(shí)間下對(duì)試樣施加CPMG信號(hào)和核磁共振成像系統(tǒng)掃描試樣內(nèi)部截面，得到該水力坡降下不同時(shí)間段砂土介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性。

步驟5，分析步驟2-4得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得砂土介質(zhì)不同水力坡降下細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化情況。

本裝置主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在，不需要反復(fù)拆卸裝置，可使?jié)B流裝置與監(jiān)測(cè)裝置融合成一個(gè)裝置，滲流和監(jiān)測(cè)過(guò)程中試樣不發(fā)生任何移動(dòng)，可完全實(shí)現(xiàn)無(wú)損實(shí)時(shí)檢測(cè)。

為了說(shuō)明本發(fā)明的裝置和方法能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)無(wú)損監(jiān)測(cè)，進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)。

選取自然界常見(jiàn)的砂土混合體，按照土工擊實(shí)試驗(yàn)，制備重塑試樣。為保證重塑試樣的性質(zhì)接近原狀砂土混合體性質(zhì)，制作的試樣時(shí)不可以改變砂石的含量比、級(jí)配等其他性質(zhì)，制作之后養(yǎng)護(hù)28天，以提高重塑土中自由水轉(zhuǎn)化為結(jié)合水的概率，讓重塑砂土的強(qiáng)度接近原狀砂土。其中砂子與黏土重量比例為7:3，黏土直徑范圍為0-2.25mm，砂子直徑范圍為1-2.5mm。試樣高度為55mm，直徑45mm，試樣數(shù)量為6個(gè)。對(duì)6個(gè)試樣進(jìn)行平行試驗(yàn)，對(duì)比6組試驗(yàn)結(jié)果，選取最具有代表性一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

MesoMR23-060H-I中尺寸核磁共振分析與成像系統(tǒng)參數(shù)為：TE(90脈沖中心到回波中心的時(shí)間間隔)＝0.6ms,TW(重復(fù)采樣等待時(shí)間)＝4s，echo numbers(180度射頻脈沖個(gè)數(shù))＝8000，scanning numbers(掃描次數(shù))＝64，儀器內(nèi)部系統(tǒng)溫度穩(wěn)定32℃。成像slies width(選層層厚)＝3mm。

本實(shí)驗(yàn)中，試樣填充裝置的進(jìn)水口和出水口直徑為4mm，試樣填充區(qū)高50mm、直徑45mm。試驗(yàn)固定裝置的固定結(jié)構(gòu)主體呈棱臺(tái)形狀，高2.9m、上長(zhǎng)0.6m、下長(zhǎng)2.1m、寬1.5m，左側(cè)有一扶梯用于檢修，固定結(jié)構(gòu)主體頂部固定有用于調(diào)節(jié)水箱高度的滑輪，滑輪沉重上限為1.5t。水箱尺寸為300×300×300mm，水箱的進(jìn)水口位于水箱右側(cè)面底部，出水口位于水箱底面中間部位，用于給試樣提供水力坡降的穩(wěn)定水位出水口位于水箱左側(cè)面距底面203mm，進(jìn)水口和出水口直徑12mm。水箱可調(diào)節(jié)高度為0.9m-2.6m。

按本發(fā)明試驗(yàn)步驟，對(duì)樣品施加10、15、18、20和23水力坡降，測(cè)量不同水力坡降下砂土介質(zhì)材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)。在水力坡降為23下，測(cè)量15min、60min、90min、150min和180min下砂土介質(zhì)材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

圖3是砂土混合體不同水力坡降下孔隙分布，由圖3可知砂土混合體T₂譜存在三峰，左鋒代表微小孔隙，中鋒代表中等孔隙，右鋒代表大孔隙和裂隙?？芍巴两橘|(zhì)孔隙發(fā)育良好，存在大量微小孔隙和中等孔隙，且孔隙連通性較好。隨著水力坡降增加，峰面積增大，峰向右推?？芍骺紫额?lèi)型體積都有一定程度增加，孔隙直徑變大和連通性變好，且砂土介質(zhì)顆粒粘聚力下降。

圖4是砂土混合體在水力坡降等于23的情況下，不同時(shí)間段砂土混合體孔隙分布。由圖4知孔隙體積和孔隙數(shù)量隨著時(shí)間增加而增加，且時(shí)間越長(zhǎng)越明顯，大孔隙明顯變多，且孔隙直徑變大(T₂值右移)。

在滲流過(guò)程中，水壓力擴(kuò)張孔隙，使孔隙數(shù)量變多和孔隙體積變大，導(dǎo)致孔隙連通性變好以及介質(zhì)顆粒粘聚力變小。在較大水力坡降下，時(shí)間越長(zhǎng)，砂土介質(zhì)出現(xiàn)裂隙，小顆粒沖刷出孔隙等現(xiàn)象。

表1砂土混合體滲流過(guò)程細(xì)觀變化情況

表1為砂土混合體滲流過(guò)程中總孔隙、自由水孔隙與滲透率變化情況。由表可知總孔隙、自由水孔隙與滲透率都有一定增長(zhǎng)。

圖5是砂土混合體總孔隙、自由水孔隙與滲透率的關(guān)系。由表1和圖5可知：孔隙和介質(zhì)滲透率存在指數(shù)關(guān)系，在低孔隙階段滲透率增長(zhǎng)較慢，隨著孔隙增多滲透率增長(zhǎng)速率加大。且自由水孔隙對(duì)滲透率的影響比結(jié)合水大。圖6是砂土混合體總孔隙和自由水孔隙隨時(shí)間變化關(guān)系。在滲流作用180min下，總孔隙和自由水孔隙增長(zhǎng)不大，但滲透率增長(zhǎng)明顯。

由上可知，砂土混合體在滲流作用下孔隙數(shù)量增多，且孔隙直徑和體積變大，導(dǎo)致混合體孔隙連通性變好，滲流通道變多以及混合體顆粒間粘聚力變小，從而滲透率上升以及顆粒被拖拽，加速了混合體的滲透破壞。同時(shí)得到混合體的孔隙-滲透率的關(guān)系以及隨時(shí)間變化情況，以此可以通過(guò)細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化預(yù)測(cè)砂土混合體的破壞程度等信息。

圖7是水力坡降等于23的情況下，不同時(shí)間段砂土混合體內(nèi)部界面孔隙分布圖。其中黑色為幕布、白色代表孔隙。白色范圍越多且越亮代表孔隙越大且連通性越好。由圖可知孔隙體積和孔隙數(shù)量隨著時(shí)間增加而增加且時(shí)間越長(zhǎng)越明顯，孔隙連通性顯著提高，且孔隙分布變大。

由以上實(shí)驗(yàn)可看出，本發(fā)明裝置做到了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，可在不同時(shí)間段對(duì)試樣進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，且滲流過(guò)程不被打斷(反復(fù)中斷滲流過(guò)程，不符合天然砂土介質(zhì)滲流規(guī)律)；在測(cè)量精度上，本發(fā)明在滲流和監(jiān)測(cè)過(guò)程中試樣不發(fā)生任何移動(dòng)，可以監(jiān)測(cè)試樣不同工況同一斷面的孔隙變化，且試樣始終飽和狀態(tài)，測(cè)量的細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)更精確。本發(fā)明裝置操作簡(jiǎn)單，擁有實(shí)時(shí)無(wú)損監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)。