一种基于低场核磁共振技术的非饱和土渗透系数的测量方法

摘要

本发明提供一种基于低场核磁共振技术的非饱和土渗透系数的测量方法。该方法是以低场核磁共振技术为基础，结合瞬时截面法，进行非饱和渗透系数评价的方法。本发明以核磁信号量的大小为依据，监测试样非饱和渗流状态下多个截面的核磁信号量的变化，依据核磁信号量的大小对试样的质量含水率分布进行推算，结合瞬时截面法，通过Darcy定律计算得到非饱和渗透系数。

权利要求

1.一种基于低场核磁共振技术的非饱和土渗透系数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)基于核磁共振信号量分布曲线建立质量含水率分布曲线；

2)基于持水特征曲线和质量含水率分布曲线建立吸力分布曲线；

3)以质量含水率分布曲线和吸力分布曲线为基础，通过Darcy定律计算非饱和渗透系数；

所述步骤1)中，建立质量含水率分布曲线的具体方法如下：取试样第一个被测截面即进水截面在试验过程中的核磁信号量的均值S′作为标准核磁信号量，表示为：式中，S0,i为试样进水截面在第i次检测时的核磁信号量，根据试样的饱和质量含水率，将S′标定为试样饱和质量含水率所对应的核磁信号量；

试样饱和质量含水率与其对应的核磁信号量的比例关系表示为：式中，ω为试样的饱和质量含水率；

试样其他截面的在t时刻的质量含水率表示为：ωj,t＝Sj,t·X   (3)式中，ωj,t为试样j截面在t时刻的质量含水率，Sj,t为试样j截面在t时刻的核磁信号量所述步骤2)中，建立吸力分布曲线的具体方法如下：根据试样的持水特征曲线，将根据步骤1)所得的质量含水率分布曲线转换为相应的吸力分布曲线；

所述步骤3)中，计算渗透系数的具体方法如下：(1)计算瞬时水力梯度

在时刻t，试样内一点的水力梯度表示为水头剖面的坡度：iw＝dhw/dx   (4)这里：iw——t时刻试样内点w的水力梯度；

dhw/dx——水头剖面中点w的坡度；

x——点的位置；

(2)计算瞬时流量

某点的瞬时流量Q等于Δt时间内流过试样断面面积A的水的体积；在Δt时间内，通过试样某点的水的总体积通过体积质量含水率剖面在Δt时间间隔内的积分求得：这里：θ——体积质量含水率；

x——点的位置；

L——试样长度；

(3)平均渗透系数计算

有了瞬时流量和瞬时梯度，根据Darcy定律，求出Δt时间内的平均渗透系数：这里：A——试样截面面积。

说明书

一种基于低场核磁共振技术的非饱和土渗透系数的测量方法

技术领域

[0001] 本发明属于岩土工程领域，涉及一种基于低场核磁共振技术的非饱和土渗透系数的测量方法。

背景技术

[0002] 非饱和土在自然界广泛分布，许多工程问题都涉及到非饱和土的渗流分析。实验室常常采用瞬时截面法量测非饱和土的渗透系数。瞬时截面法需实时监测试样渗流状态下多个截面的质量含水率(吸力)的变化，最后通过Darcy定律计算得到渗透系数，即：

[0003]

[0004] 式中：A为所测试样的横截面积，Q为Δt时间内流过试样断面面积A的水的流量，；it为t时刻试样内一点的水力梯度。

[0005] 显然，根据公式(1)并通过相关实验可以得到渗透系数kw。瞬时截面法的困难之处在于截面质量含水率(吸力)的测定。目前的截面质量含水率的检测手段都需要检测探头与土样直接贴合，不但使土样截面积发生变化，还会因接触面存在缝隙而影响渗流的均匀性，导致水的流速计算产生误差。另外，传统测量探头尺寸较大，导致各个截面间隔较大，降低了试验的精度。因此，现有渗透试验装置不是对实现自然界中的渗透特性的真实模拟。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的问题是提供一种能无损检测土样渗透系数的方法，克服现有技术存在的上述技术问题。

[0007] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决：

[0008] 1)基于核磁共振信号量分布曲线建立质量含水率分布曲线；

[0009] 2)基于持水特征曲线和质量含水率分布曲线建立吸力分布曲线；

[0010] 3)以质量含水率分布曲线和吸力分布曲线为基础，通过Darcy定律计算非饱和渗透系数。

[0011] 建立质量含水率分布曲线的具体方法如下：

[0012] 取试样第一个被测截面即进水截面在试验过程中的核磁信号量的均值S′作为标准核磁信号量，可以表示为：

[0013]

[0014] 式中，S0,i为试样进水截面、在第i次检测时的核磁信号量。

[0015] 根据试样的饱和质量含水率，将S′标定为试样饱和质量含水率所对应的核磁信号量。试样饱和质量含水率与其对应的核磁信号量的比例关系可以表示为：

[0016]

[0017] 式中，ω为试样的饱和质量含水率。

[0018] 试样其他截面的在t时刻的质量含水率可以表示为：

[0019] ωj,t＝Sj,t·X   (3)

[0020] 式中，ωj,t为试样j截面在t时刻的质量含水率，Sj,t为试样j截面在t时刻的核磁信号量。

[0021] 建立吸力分布曲线的具体方法如下：

[0022] 根据试样的持水特征曲线(通过其他相关试验获得或参考相关材料的文献资料)，将所得的质量含水率分布曲线转换为相应的吸力分布曲线。

[0023] 计算渗透系数的具体方法如下：

[0024] (1)计算瞬时水力梯度

[0025] 在时刻t，试样内一点的水力梯度可以表示为水头剖面的坡度：

[0026] iw＝dhw/dx   (4)

[0027] 这里：iw——t时刻试样内点w的水力梯度；

[0028] dhw/dx——水头剖面中点w的坡度；

[0029] x——考虑点的位置。

[0030] (2)计算瞬时流量

[0031] 某点的瞬时流量Q等于Δt时间内流过试样断面面积A的水的体积。在Δt时间内，通过试样某点的水的总体积可以通过体积质量含水率剖面在Δt时间间隔内的积分求得：

[0032]

[0033] 这里：θ——体积质量含水率；

[0034] x——考虑点的位置；

[0035] L——试样长度。

[0036] (3)平均渗透系数计算

[0037] 有了瞬时流量和瞬时梯度，根据Darcy定律，可以求出Δt时间内的平均渗透系数：

[0038]

[0039] 这里：A——试样截面面积；

[0040] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0041] 本发明以核磁信号量的大小为依据，监测试样非饱和渗流状态下多个截面的核磁信号量的变化，依据核磁信号量的大小对试样的质量含水率分布进行推算，结合瞬时截面法，通过Darcy定律计算得到非饱和渗透系数。由于本发明采用核磁共振技术间接获取试样截面质量含水率分布，达到了不影响渗流形态、缩小试样尺寸、缩短试验周期的目的。

附图说明

[0042] 图1为本发明核磁信号量分布曲线；

[0043] 图2为本发明质量含水率分布曲线；

[0044] 图3为本发明持水特征曲线；

[0045] 图4为本发明吸力分布曲线；

[0046] 图5为本发明水力梯度计算示意图；

[0047] 图6为本发明流量计算示意图；

[0048] 图7为本发明渗透系数与吸力的关系效果图；

具体实施方式

[0049] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

[0050] 参见图1至图7，本发明包括以下步骤：1、建立质量含水率分布曲线；2、建立吸力分布曲线；3、通过Darcy定律计算非饱和渗透系数。

[0051] 1、建立质量含水率分布曲线

[0052] 试样的核磁信号分布曲线如图1所示。取试样第一个被测截面即进水截面在试验过程中的核磁信号量的均值S′作为标准核磁信号量，可以表示为：

[0053]

[0054] 式中，S0,i为试样进水截面、在第i次检测时的核磁信号量。

[0055] 根据试样的饱和质量含水率，将S′标定为试样饱和质量含水率所对应的核磁信号量。试样饱和质量含水率与其对应的核磁信号量的比例关系可以表示为：

[0056]

[0057] 式中，ω为试样的饱和质量含水率。

[0058] 试样其他截面的在t时刻的质量含水率如图2所示，可以表示为：

[0059] ωj,t＝Sj,t·X   (3)

[0060] 式中，ωj,t为试样j截面在t时刻的质量含水率，Sj,t为试样j截面在t时刻的核磁信号量。

[0061] 2、建立吸力分布曲线的具体方法如下：

[0062] 根据试样的持水特征曲线如图3所示，将所得的质量含水率分布曲线转换为相应的吸力分布曲线，如图4所示。

[0063] 3、计算渗透系数的具体方法如下：

[0064] (1)计算瞬时水力梯度

[0065] 在时刻t，试样内一点的水力梯度可以表示为水头剖面的坡度，如图5所示：

[0066] iw＝dhw/dx   (4)

[0067] 这里：iw——t时刻试样内点w的水力梯度；

[0068] dhw/dx——水头剖面中点w的坡度；

[0069] x——考虑点的位置。

[0070] (2)计算瞬时流量

[0071] 某点的瞬时流量Q等于Δt时间内流过试样断面面积A的水的体积。在Δt时间内，通过试样某点的水的总体积可以通过体积质量含水率剖面在Δt时间间隔内的积分求得，如图6所示：

[0072]

[0073] 这里：θ——体积质量含水率；

[0074] x——考虑点的位置；

[0075] L——试样长度。

[0076] (3)平均渗透系数计算

[0077] 有了瞬时流量和瞬时梯度，根据Darcy定律，可以求出Δt时间内的平均渗透系数，如图7所示：

[0078]

[0079] 这里：A——试样截面面积；

[0080] 本发明具有以下优点：

[0081] 本发明以核磁信号量的大小为依据，监测试样非饱和渗流状态下多个截面的核磁信号量的变化，依据核磁信号量的大小对试样的质量含水率分布进行推算，结合瞬时截面法，通过Darcy定律计算得到非饱和渗透系数。由于本发明采用核磁共振技术间接获取试样截面质量含水率分布，达到了不影响渗流形态、缩小试样尺寸、缩短试验周期的目的。

[0082] 以上内容仅为描述本发明的思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是在本发明提出的技术思想的基础上所做的任何具体实施的技术方案的改动，均落入本发明的权利要求书的保护范围之内。