实时监测冻融过程中岩土体内部水分迁移的装置及方法与流程

本发明属于岩土体内部水分迁移研究技术领域，具体涉及一种实时监测冻融过程中岩土体内部水分迁移的装置及方法。

背景技术：

随着国家“陆上丝绸之路新经济带”战略及“西部大开发”战略的深入实施，未来数十年，中国西部将会进行大规模的基础设施建设。上述地区多处于高原、山地等季节(多年)性冻融区，冻融作用强烈。岩土体在冻融作用下的损伤劣化会引发一系列的工程地质问题。引起岩土体冻融损伤的机制主要有两种：一是孔隙(裂隙)水原位冻结过程中的体积膨胀机制；二是未冻水向正冻区迁移并结冰的冰分凝机制。国内外学者普遍认为，以分层结晶和未冻水迁移为主要特征的冰分凝机制是引起土体冻胀和结构破坏的主要原因。对岩石冻融损伤机制的研究相对滞后，很长一段时间内认为体积膨胀机制起主导作用，但随着Fukuda、Murton和Duca等人在岩石中观察到了冰分凝现象，冰分凝机制特别是未冻水的迁移在岩石冻融损伤中的作用逐渐被重视。因此，研究冻融过程中岩土体内部的水分迁移过程，是揭示岩土体冻融损伤机制的关键环节，具有重要的理论和工程意义。

关于岩土体内部水分迁移的驱动力，自19世纪末以来国内外学者提出了各种假说，主要有：温度梯度势、压力势、重力势、渗透势、基质势等。具体到冻融过程中，分凝势则起主导作用。根据Konrad和Morgenstern的理论，分凝势是由温度梯度势和压力决定的。可见，对于岩土体内部水分迁移的理论研究已经较为充分，但实验研究严重缺乏。利用室内实验研究岩土体内部水分迁移面临诸多挑战，主要存在以下几个问题：

(1)室内冻结条件难以模拟自然的冻融环境。自然条件下岩土体的冻融主要有两种模式，取决于内部是否存在永冻层。若地层内部不存在永冻层，则冻融为由表及里的单向冻融，地表温度呈周期性的正弦变化，地层内部则是恒定的正温。若地层内部存在永冻层，则冻结可能为由里及表的单向冻结，或两端同时进行的双向冻结，但融化则仍是由表及里的单向，地表温度仍呈周期性正弦变化，地层内部则是恒定的负温。现有方案多采用一端恒定正温，另一端恒定正温的设计，无法有效模拟自然的冻融环境。如申请号为201510299172.8的专利公开了一种冻土中水分迁移过程追踪装置及其实验方法，其采用上端恒定负温、下端恒定正温的控温方案，无法研究自然冻融环境下土体内部的水分迁移；申请号为201110185451.3的专利公开了一种测量冻土试验中相变过程温度和电阻率分布的装置，该装置采用两端控温的方案，但同样为一端恒定正温、一端恒定负温以形成恒定的温度梯度。

(2)岩土体中的水分迁移不能实时、精确测量。岩土体中水分迁移测量现有方案主要有三种。第一种方案采用烘干法测量冻结前后相同位置土体的含水量，该方法得到的数据量较小，精度较差，且仅能得到冻结前后两个状态的水分分布。如申请号为201410184471.2的专利公开了一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置，其采用测温点取土样烘干测量含水量的方法，来测量土样中的水分迁移。第二种方案在土体不同位置布设水分传感器，测量冻融过程中测点位置的含水量变化，该方法虽然可以得到实时数据，但限于传感器数量，对水分分布状态的测量同样是粗略的，此外传感器本身精度易受到温度、湿度等因素的干扰，在冻结状态下或低含水量的土体内部测试误差较大。如申请号为201520663814.3的专利公开了一种室内降雪条件下冻土水分迁移规律模拟试验系统，该系统采用布设多层湿度传感器的方法监测水分的迁移，具体方案为每层中传感器呈1m 1m的正方形网格均匀布设，相邻两层之间按0.5m的等间距布设，存在传感器间距过大的问题。第三种方案采用示踪的方法，将土样置 于透明的容器内，利用相机配合特定的显踪手段来监测水分的迁移，这种方法虽然可直观的观察水分的迁移过程，但存在保温效果不良等问题，且仅能观测试样表面的水分迁移，结果不具有代表性。如申请号为201510299172.8的专利公开了一种冻土中水分迁移过程追踪装置及其实验方法，其利用紫光灯下荧光剂在冻结前后颜色不同的特性，在冻土制样过程中添加含荧光剂的水，之后将样品放置于透明玻璃槽内，利用数码相机对表面水分的迁移进行实时监测。

(3)传感器本身会对试样结构产生较为严重的扰动。传感器及连接的导线本身要占据一定的空间，由于室内试验样品尺寸有限，特别是对于尺寸较小的试样，传感器的存在将显著改变试样的结构；此外传感器一般为金属材质，导热性能良好，在放置点容易形成温度场和水分场的异常，造成测试结果的误差。

(4)国内外尚无专门设备对冻融过程中岩石内部的水分迁移进行监测。相较于土而言，岩石结构稳定，孔隙率低，内部的水分迁移速率慢，对监测手段的精度要求较高。上文中介绍的三种监测冻土中水分迁移的方案在岩石中应用的可行性较低。现有监测手段很难在不破坏岩石整体结构的前提下实现高精度的监测。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种实时监测冻融过程中岩土体内部水分迁移的装置。该装置通过在核磁线圈两端的端盖内侧对称设置冷却器，使冷却器位于岩土体样品的两端，可实现岩土体样品两端独立控温，可有效模拟自然冻融环境；通过设置补水系统，可为岩土体内部的水分迁移提供恒温水源。通过设置持水器使用时调整持水器内的水面高度与样品的补水端平齐，可以消除水头差；设置恒温箱，恒温箱的温度可调并与补水端保持同步，能够在水进入样品室前将其温度维持在与补水端温度相同，可显著降低补水对样品内部温度场的扰 动。采用本发明的装置实时检测冻融过程中岩土体内不同区域水分相态分布，可实现样品内部任意截面处未冻水含量的实时、精确测量，检测过程中不会破坏岩土体样品结构，无需埋设水分传感器，对于岩、土样品均适用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种实时监测冻融过程中岩土体内部水分迁移的装置，其特征在于，包括核磁共振系统、温度控制系统和补水系统，所述核磁共振系统包括核磁共振主机，放置于核磁共振主机的检测舱内的核磁线圈，所述核磁线圈为两端均开口的圆筒状，核磁线圈的两端均设置有可拆卸的端盖，所述核磁线圈的内壁上设置有保温层，所述保温层的内部设置有样品室，所述温度控制系统包括计算机、数据采集模块、冷却器和温度控制器，所述冷却器的数量为两个，两个所述冷却器对称安装在位于核磁线圈两端的端盖内侧，两个所述冷却器上均连接有用于向冷却器内通入循环冷却液的高低温液浴槽，冷却器和与其连接的高低温液浴槽之间通过硅胶管连接，所述冷却器和保温层上均安装有用于测量样品室内温度的温度传感器，所述温度传感器的输出端与数据采集模块的输入端连接，所述数据采集模块和温度控制器均与计算机相接；所述补水系统包括持水器、恒温箱和导水软管，所述持水器设置于样品室内且与样品的一侧相接触，持水器远离样品的一端设置有出水口，所述持水器包括持水器本体，所述持水器本体由左右对接的实心圆柱体和空心圆柱体组成，所述实心圆柱体内沿持水器本体轴向设置有多个与空心圆柱体相连通的毛细通道，所述空心圆柱体远离实心圆柱体的端部设置有盖板，所述出水口设置于盖板上，且出水口与空心圆柱体内部相连通，所述导水软管呈水平盘旋状设置于恒温箱内，且导水软管的一端穿出恒温箱并穿过端盖和冷却器与所述出水口连接。

上述的实时监测冻融过程中岩土体内部水分迁移的装置，其特征在于，所述实心圆柱体、空心圆柱体和盖板为一体式结构。

上述的实时监测冻融过程中岩土体内部水分迁移的装置，其特征在 于，所述冷却器远离端盖的一端设置有凹槽，冷却器的另一端设置有冷却液进液管和冷却液出液管。

上述的实时监测冻融过程中岩土体内部水分迁移的装置，其特征在于，所述端盖上开设有供冷却液进液管和冷却液出液管穿出的通孔。

上述的实时监测冻融过程中岩土体内部水分迁移的装置，其特征在于，所述冷却液为氟化液，所述温度传感器为光纤温度传感器。

上述的实时监测冻融过程中岩土体内部水分迁移的装置，其特征在于，所述核磁共振主机的磁场强度为0.3T。

上述的实时监测冻融过程中岩土体内部水分迁移的装置，其特征在于，所述导水软管上设置有刻度。

上述的实时监测冻融过程中岩土体内部水分迁移的装置，其特征在于，所述保温层为海绵状聚四氟乙烯保温层。

另外，本发明还提供了一种利用上述装置实时监测冻融过程中岩土体内部水分迁移的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、拆下核磁线圈一端的冷却器和端盖，将样品水平放置于样品室内使样品需补水的一端位于核磁线圈开放的一侧，然后将内部注水的持水器置于样品需补水的一端，使持水器的实心圆柱体端部与样品相接触，调整持水器内的液面高度与样品需补水的一端高度平齐，再将拆下的冷却器和端盖安装好；

步骤二、启动核磁共振系统、温度控制系统和计算机，在计算机上设定样品室的起始测试温度和温度变化曲线，温度控制器根据计算机设定的起始测试温度和温度变化曲线控制高低温液浴槽内冷却液的温度，高低温液浴槽内的冷却液循环泵入冷却器中，对样品室的温度进行控制，温度传感器将测量的样品室内的实时温度反馈给数据采集模块，数据采集模块将采集的实时温度的数据传输给计算机，计算机对样品室的温度进行动态调整，调节恒温箱的温度与样品需补水的一端温度相同；

步骤三、待样品室内的温度达到起始测试温度时，开始对样品室内的 样品进行核磁共振检测，待样品室内的温度按设定的温度变化曲线变化完成后，检测完成。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的装置通过在核磁线圈两端的端盖内侧对称设置冷却器，使冷却器位于岩土体样品的两端，可实现岩土体样品两端独立控温，可有效模拟自然冻融环境。

2、本发明的装置通过设置补水系统，可为岩土体内部的水分迁移提供恒温水源。通过设置持水器使用时调整持水器内的水面高度与样品的补水端平齐，可以消除水头差；设置恒温箱，恒温箱的温度可调并与补水端保持同步，能够在水进入样品室前将其温度维持在与补水端温度相同，可显著降低补水对样品内部温度场的扰动。

3、本发明优选在导水软管上设置刻度，可实时监测补水量。

4、本发明的方法利用核磁共振技术实时检测冻融过程中岩土体内不同区域水分相态分布，核磁共振技术对样品中的氢信号极其敏感，可实现样品内部任意截面处未冻水含量的实时、精确测量，检测过程中不会破坏岩土体样品结构，无需埋设水分传感器，对于岩、土样品均适用。

5、本发明优选氟化液作为冷却液，在确保不会对核磁信号产生干扰的同时，可实现样品温度的实时、快速、精确控制(温度控制范围-25℃～30℃，温度波动±0.1℃)。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明持水器的立体结构示意图。

图3为本发明持水器的立体剖视图。

图4为本发明冷却器的立体结构示意图。

图5为本发明装置的电路原理框图。

图6为一维频率编码序列示意图。

图7为采用一维频率编码序列测试得到的分层信号量与层面位置之间的关系曲线。

附图标记说明:

1—核磁共振主机； 2—样品室； 3—硅胶管；

4—端盖； 5—高低温液浴槽； 6—温度传感器；

7—冷却器； 8—核磁线圈； 9—保温层；

10—样品； 11—持水器； 11-1—实心圆柱体；

11-2—空心圆柱体； 11-3—毛细通道； 11-4—盖板；

12—恒温箱； 13—导水软管； 14—冷却液进液管；

15—冷却液出液管； 16—凹槽； 17—出水口；

18—数据采集模块； 19—温度控制器； 20—计算机；

21—加热电阻丝。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明的实时监测冻融过程中岩土体内部水分迁移的装置，包括核磁共振系统、温度控制系统和补水系统，所述核磁共振系统包括核磁共振主机1，放置于核磁共振主机1的检测舱内的核磁线圈8，所述核磁线圈8为两端均开口的圆筒状，核磁线圈8的两端均设置有可拆卸的端盖4，所述核磁线圈8的内壁上设置有保温层9，所述保温层9的内部设置有样品室2，所述温度控制系统包括计算机20、数据采集模块18、冷却器7和温度控制器19，所述冷却器7的数量为两个，两个所述冷却器7对称安装在位于核磁线圈8两端的端盖4内侧，两个所述冷却器7上均连接有用于向冷却器7内通入循环冷却液的高低温液浴槽5，冷却器7和与其连接的高低温液浴槽5之间通过硅胶管3连接，所述冷却器7和保温层9上均安装有用于测量样品室2内温度的温度传感器6，所述温度传感器6的输出端与数据采集模块18的输入端连接，所述数据 采集模块18和温度控制器19均与计算机20相接；所述补水系统包括持水器11、恒温箱12和导水软管13，所述持水器11设置于样品室2内且与样品10的一侧相接触，持水器11远离样品10的一端设置有出水口17，所述持水器11包括持水器本体，所述持水器本体由左右对接的实心圆柱体11-1和空心圆柱体11-2组成，所述实心圆柱体11-1内沿持水器本体轴向设置有多个与空心圆柱体11-2相连通的毛细通道11-3，所述空心圆柱体11-2远离实心圆柱体11-1的端部设置有盖板11-4，所述出水口17设置于盖板11-4上，且出水口17与空心圆柱体11-2内部相连通，所述导水软管13呈水平盘旋状设置于恒温箱12内，且导水软管13的一端穿出恒温箱12并穿过端盖4和冷却器7与所述出水口17连接。

本实施例中，所述实心圆柱体11-1、空心圆柱体11-2和盖板11-4为一体式结构。

如图4所示，本实施例中，所述冷却器7远离端盖4的一端设置有凹槽16，冷却器7的另一端设置有冷却液进液管14和冷却液出液管15。

本实施例中，所述端盖4上开设有供冷却液进液管14和冷却液出液管15穿出的通孔。

本实施例中，所述冷却液为氟化液，所述温度传感器6为光纤温度传感器。

本实施例中，所述核磁共振主机1的磁场强度为0.3T。

本实施例中，所述导水软管13上设置有刻度。

本实施例中，所述保温层9为海绵状聚四氟乙烯保温层。

本实施例中，所述高低温液浴槽的出液口设置有加热电阻丝21，温度控制器19控制加热电阻丝21对冷却液进行加热，并控制恒温箱12的温度与样品需补水的一端温度相同。

利用本发明的装置实时监测冻融过程中岩土体内部水分迁移的方法具体包括以下步骤：

步骤一、拆下核磁线圈8一端的冷却器7和端盖4，将样品10水平放 置于样品室2内使样品10需补水的一端位于核磁线圈8开放的一侧，然后将内部注水的持水器11置于样品10需补水的一端，使持水器11的实心圆柱体11-1端部与样品10相接触，调整持水器11内的液面高度与样品10需补水的一端高度平齐，再将拆下的冷却器7和端盖4安装好；

步骤二、启动核磁共振系统、温度控制系统和计算机20，在计算机20上设定样品室2的起始测试温度和温度变化曲线，温度控制器19根据计算机20设定的起始测试温度和温度变化曲线控制高低温液浴槽5内冷却液的温度，高低温液浴槽5内的冷却液循环泵入冷却器7中，对样品室2的温度进行控制，温度传感器6将测量的样品室2内的实时温度反馈给数据采集模块18，数据采集模块18将采集的实时温度的数据传输给计算机20，计算机20对样品室2的温度进行动态调整，调节恒温箱12的温度与样品10需补水的一端温度相同；

步骤三、待样品室2内的温度达到起始测试温度时，开始对样品室2内的样品10进行核磁共振检测，待样品室2内的温度按设定的温度变化曲线变化完成后，检测完成。

本发明实时监测冻融过程中岩土体内部水分迁移的基本原理和示例如下：

利用本发明的装置实时监测冻融过程中岩土体内部水分迁移时，采用常规T2弛豫分析方法，能得到样品的整体弛豫信息，但无法分辨样品在不同位置(如不同层面)含量及饱和度的差异。所以当需要研究样品在不同层面的流体分布信息时，利用一维频率编码序列(如图6)，在施加90°射频脉冲后，在读梯度方向上施加线性梯度场，在TE/2时间后施加180°脉冲，在TE时间后采集回波信号。由于线性梯度场的施加，让采集到的回波信号中含有不同的频域信息，而不同的频率对应梯度方向上不同的空间位置，对采集的回波信号进行一维傅立叶变换，通过简单的换算可以得到样品不同层面的信号强度。

利用上述一维频率编码序列，研究岩石样品(样品高度15mm)一端 吸水2.5小时后，不同层面的信号强度。在吸水之前采集样品一维频率编码序列信号，吸水2.5小时后再采集样品的一维频率编码序列信号；将回波信号经傅立叶变换后得到分层信号量与共振频率之间的关系曲线；最后将频率换算成位置信息可以得到分层信号量与层面位置之间的关系曲线(如图7)，图中左侧为样品吸水一端的信号强度，右侧为样品未吸水一端的信号强度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。