本發(fā)明屬于巖土工程領域，涉及一種基于低場核磁共振技術的非飽和土滲透系數(shù)的測量方法。

背景技術：

非飽和土在自然界廣泛分布，許多工程問題都涉及到非飽和土的滲流分析。實驗室常常采用瞬時截面法量測非飽和土的滲透系數(shù)。瞬時截面法需實時監(jiān)測試樣滲流狀態(tài)下多個截面的質(zhì)量含水率(吸力)的變化，最后通過Darcy定律計算得到滲透系數(shù)，即：

式中：A為所測試樣的橫截面積，Q為Δt時間內(nèi)流過試樣斷面面積A的水的流量，；i_t為t時刻試樣內(nèi)一點的水力梯度。

顯然，根據(jù)公式(1)并通過相關實驗可以得到滲透系數(shù)k_w。瞬時截面法的困難之處在于截面質(zhì)量含水率(吸力)的測定。目前的截面質(zhì)量含水率的檢測手段都需要檢測探頭與土樣直接貼合，不但使土樣截面積發(fā)生變化，還會因接觸面存在縫隙而影響滲流的均勻性，導致水的流速計算產(chǎn)生誤差。另外，傳統(tǒng)測量探頭尺寸較大，導致各個截面間隔較大，降低了試驗的精度。因此，現(xiàn)有滲透試驗裝置不是對實現(xiàn)自然界中的滲透特性的真實模擬。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的問題是提供一種能無損檢測土樣滲透系數(shù)的方法，克服現(xiàn)有技術存在的上述技術問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案予以解決：

1)基于核磁共振信號量分布曲線建立質(zhì)量含水率分布曲線；

2)基于持水特征曲線和質(zhì)量含水率分布曲線建立吸力分布曲線；

3)以質(zhì)量含水率分布曲線和吸力分布曲線為基礎，通過Darcy定律計算非飽和滲透系數(shù)。

建立質(zhì)量含水率分布曲線的具體方法如下：

取試樣第一個被測截面即進水截面在試驗過程中的核磁信號量的均值S′作為標準核磁信號量，可以表示為：

式中，S_0,i為試樣進水截面、在第i次檢測時的核磁信號量。

根據(jù)試樣的飽和質(zhì)量含水率，將S′標定為試樣飽和質(zhì)量含水率所對應的核磁信號量。試樣飽和質(zhì)量含水率與其對應的核磁信號量的比例關系可以表示為：

式中，ω為試樣的飽和質(zhì)量含水率。

試樣其他截面的在t時刻的質(zhì)量含水率可以表示為：

ω_j,t＝S_j,t·X (3)

式中，ω_j,t為試樣j截面在t時刻的質(zhì)量含水率，S_j,t為試樣j截面在t時刻的核磁信號量。

建立吸力分布曲線的具體方法如下：

根據(jù)試樣的持水特征曲線(通過其他相關試驗獲得或參考相關材料的文獻資料)，將所得的質(zhì)量含水率分布曲線轉(zhuǎn)換為相應的吸力分布曲線。

計算滲透系數(shù)的具體方法如下：

(1)計算瞬時水力梯度

在時刻t，試樣內(nèi)一點的水力梯度可以表示為水頭剖面的坡度：

i_w＝dh_w/dx (3)

這里：i_w——t時刻試樣內(nèi)w點的水力梯度；

dh_w/dx——水頭剖面中w點的坡度；

x——考慮點的位置。

(2)計算瞬時流量

某點的瞬時流量Q等于Δt時間內(nèi)流過試樣斷面面積A的水的體積。在Δt時間內(nèi)，通過試樣某點的水的總體積可以通過體積質(zhì)量含水率剖面在Δt時間間隔內(nèi)的積分求得：

這里：θ——體積質(zhì)量含水率；

x——考慮點的位置；

L——試樣長度。

(3)平均滲透系數(shù)計算

有了瞬時流量和瞬時梯度，根據(jù)Darcy定律，可以求出Δt時間內(nèi)的平均滲透系數(shù)：

這里：A——試樣截面面積；

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明以核磁信號量的大小為依據(jù)，監(jiān)測試樣非飽和滲流狀態(tài)下多個截面的核磁信號量的變化，依據(jù)核磁信號量的大小對試樣的質(zhì)量含水率分布進行推算，結(jié)合瞬時截面法，通過Darcy定律計算得到非飽和滲透系數(shù)。由于本發(fā)明采用核磁共振技術間接獲取試樣截面質(zhì)量含水率分布，達到了不影響滲流形態(tài)、縮小試樣尺寸、縮短試驗周期的目的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明核磁信號量分布曲線；

圖2為本發(fā)明質(zhì)量含水率分布曲線；

圖3為本發(fā)明持水特征曲線；

圖4為本發(fā)明吸力分布曲線；

圖5為本發(fā)明水力梯度計算示意圖；

圖6為本發(fā)明流量計算示意圖；

圖7為本發(fā)明滲透系數(shù)與吸力的關系效果圖；

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明：

參見圖1至圖7，本發(fā)明包括以下步驟：1、建立質(zhì)量含水率分布曲線；2、建立吸力分布曲線；3、通過Darcy定律計算非飽和滲透系數(shù)。

1、建立質(zhì)量含水率分布曲線

試樣的核磁信號分布曲線如圖1所示。取試樣第一個被測截面即進水截面在試驗過程中的核磁信號量的均值S′作為標準核磁信號量，可以表示為：

式中，S_0,i為試樣進水截面、在第i次檢測時的核磁信號量。

根據(jù)試樣的飽和質(zhì)量含水率，將S′標定為試樣飽和質(zhì)量含水率所對應的核磁信號量。試樣飽和質(zhì)量含水率與其對應的核磁信號量的比例關系可以表示為：

式中，ω為試樣的飽和質(zhì)量含水率。

試樣其他截面的在t時刻的質(zhì)量含水率如圖2所示，可以表示為：

ω_j,t＝S_j,t·X (3)

式中，ω_j,t為試樣j截面在t時刻的質(zhì)量含水率，S_j,t為試樣j截面在t時刻的核磁信號量。

2、建立吸力分布曲線的具體方法如下：

根據(jù)試樣的持水特征曲線如圖3所示，將所得的質(zhì)量含水率分布曲線轉(zhuǎn)換為相應的吸力分布曲線，如圖4所示。

3、計算滲透系數(shù)的具體方法如下：

(1)計算瞬時水力梯度

在時刻t，試樣內(nèi)一點的水力梯度可以表示為水頭剖面的坡度，如圖5所示：

i_w＝dh_w/dx (3)

這里：i_w——t時刻試樣內(nèi)w點的水力梯度；

dh_w/dx——水頭剖面中w點的坡度；

x——考慮點的位置。

(2)計算瞬時流量

某點的瞬時流量Q等于Δt時間內(nèi)流過試樣斷面面積A的水的體積。在Δt時間內(nèi)，通過試樣某點的水的總體積可以通過體積質(zhì)量含水率剖面在Δt時間間隔內(nèi)的積分求得，如圖6所示：

這里：θ——體積質(zhì)量含水率；

x——考慮點的位置；

L——試樣長度。

(3)平均滲透系數(shù)計算

有了瞬時流量和瞬時梯度，根據(jù)Darcy定律，可以求出Δt時間內(nèi)的平均滲透系數(shù)，如圖7所示：

這里：A——試樣截面面積；

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明以核磁信號量的大小為依據(jù)，監(jiān)測試樣非飽和滲流狀態(tài)下多個截面的核磁信號量的變化，依據(jù)核磁信號量的大小對試樣的質(zhì)量含水率分布進行推算，結(jié)合瞬時截面法，通過Darcy定律計算得到非飽和滲透系數(shù)。由于本發(fā)明采用核磁共振技術間接獲取試樣截面質(zhì)量含水率分布，達到了不影響滲流形態(tài)、縮小試樣尺寸、縮短試驗周期的目的。

以上內(nèi)容僅為描述本發(fā)明的思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是在本發(fā)明提出的技術思想的基礎上所做的任何具體實施的技術方案的改動，均落入本發(fā)明的權(quán)利要求書的保護范圍之內(nèi)。