一种自钻式核磁共振与旁压土体原位测试装置及方法

本技术涉及岩土探测领域，尤其是涉及一种自钻式核磁共振与旁压土体原位测试装置及方法。

背景技术：

1、旁压测试是工程地质勘探中常用的原位测试技术，使用探头在钻孔中测量压力和土变形之间的关系，可获得有关土体的承载力、变形性质和孔隙水压力等重要信息。

2、核磁共振测试能够反映土体的含水率与水分分布情况，开展土体原位核磁测量能得到原状土的水分含量、微观孔隙结构等信息。此外，核磁技术还能对土体污染中的石油烃类进行检测，石油泄漏导致有机污染物侵入土孔隙中后，弛豫时间分布谱会有油信号和有机质信号的特征响应，从而实现对油类污染区域的勘察。

3、将核磁共振测试与旁压测试结合，能够获得土体的力学信息和水分含量及分布信息，对于研究土体动态变化和全面理解土体行为具有重要的科研和应用价值。对于有机污染场地，在对油类污染土的污染区域实现快速勘察的同时，还可以得到土体污染后的力学信息。

4、旁压测试和核磁共振测试技术通常都需要预先钻孔，然后把探头下放至钻孔中对土体进行测量。然而，钻孔过程会对土体造成扰动，导致旁压测试和核磁共振测试难以获取地下未扰动原状土的力学信息和水分含量及分布信息。

技术实现思路

1、为了改善先钻后测的方式易对土体造成扰动的问题，本技术提供一种自钻式核磁共振与旁压土体原位测试装置及方法。

2、本技术提供的一种自钻式核磁共振与旁压土体原位测试装置采用如下的技术方案：

3、一种自钻式核磁共振与旁压土体原位测试装置，包括：

4、内套管；

5、核磁共振探头系统，包括射频组件和套设于所述内套管外的磁体组件；

6、旁压探头系统，包括套设于所述内套管外的外套筒，所述外套筒外套设有旁压膜，所述外套筒与所述旁压膜之间形成密闭腔体，所述密闭腔体连接有进气管和气源，所述外套筒上设置有与所述旁压膜连接的应变位移传感器；所述外套筒上设置有孔隙水压力传感器，所述旁压膜上开设有通孔，用于使所述孔隙水压力传感器与土体接触；

7、自钻系统，包括穿设于所述内套管中的空心钻杆和连接于所述钻杆端部的钻头，所述钻杆的直径小于所述内套管的直径，所述钻杆连接有钻机；所述自钻系统还包括水循环组件，用于将水通过所述钻杆内部空腔注入土体，再驱使土体中的泥浆从所述钻杆与所述内套管之间的间隙返回地面；

8、数据采集及分析系统，用于收集并分析测量数据。

9、探测时，钻头在土体中钻进，同时钻机推进钻杆，水循环组件将水通过钻杆注入土体，再驱使土体中的泥浆返回地面；将探头推进至需要测量的目标深度后，核磁共振探头系统对土体进行原位核磁共振测量，旁压探头系统测量土体的土层位移和孔隙水压力。

10、数据采集及分析系统对核磁共振探头的测量数据进行反演处理，得到t2分布谱，根据t2分布谱可得到土体的含水率；数据采集及分析系统对土层位移和孔隙水压力数据进行处理，得到旁压曲线和孔隙水压力曲线，根据旁压曲线得到土层的旁压模量。

11、随着钻进的进行，可以得到地下连续深度原状土的t2分布谱、水分含量与土体变形性质等信息，对于研究土体动态变化和全面理解土体行为具有重要的科研和应用价值；本技术可应用于有机污染场地的测量，对油类污染土的污染区域实现快速勘察，并得到土体污染后的力学信息。

12、本技术采用自钻系统将探头钻进至地下土体的目标深度，钻进与测量同步进行，有助于减少土体的扰动，提高测量的准确性。

13、进一步地，所述磁体组件包括套设于所述内套管外的两个空心圆柱型磁铁，两个所述磁铁沿自身轴向间隔排布，两个所述磁铁的极性相反；所述射频组件包括绕设于所述内套管外的射频线圈，所述射频线圈位于两个所述磁铁之间，所述射频线圈连接有调谐电路。

14、两个磁铁产生围绕轴线的圆环形静磁场b0，射频线圈产生的射频磁场b1沿磁铁轴向且与静磁场b0垂直；通过调谐电路，可将射频线圈频率和磁铁调谐一致。

15、进一步地，所述内套管的外周侧设置有供所述射频线圈缠绕的凹槽。

16、凹槽便于射频线圈在套管外规则缠绕。

17、进一步地，所述外套筒的一端固定连接有尖端朝下的管靴，所述管靴罩设于所述钻头。

18、在钻头钻进的过程中，管靴的尖端向下切割土层，提高了钻头钻进的效率。

19、进一步地，所述水循环组件包括循环水泵和连接于所述循环水泵进水端的水箱，所述循环水泵的出水端连接于所述钻杆的上端，所述水箱的进水端连通于所述钻杆与所述内套管之间的间隙。

20、水箱、水泵、钻杆以及内套管组成闭合的环路，在水泵的作用下，水箱中的水经过钻杆内部的空腔注入土体，钻头在钻进过程中切割土壤，注入土体的水携带土体碎屑和泥浆经过钻杆与内套管之间的间隙回到水箱；注水有助于提高钻头钻进的效率，也能够将钻进过程中的土体碎屑及时输送至地面。

21、本技术提供一种核磁共振与旁压土体原位测试方法，采用一种自钻式核磁共振与旁压土体原位测试装置，包括以下步骤：

22、步骤一：装置连接和准备；

23、步骤二：钻头在土体中钻进，同时钻机推进钻杆，使探头到达需要测量的目标深度，停止钻进；

24、步骤三：核磁共振探头系统对土体进行原位核磁共振测量，旁压探头系统测量土体的土层位移和孔隙水压力；

25、步骤四：数据采集及分析系统对核磁共振数据进行反演处理，得到t2分布谱；数据采集及分析系统对土层位移和孔隙水压力数据进行处理，得到旁压曲线和孔隙水压力曲线；

26、步骤五：根据t2分布谱得到土体的含水率，根据旁压曲线得到土层的旁压模量。

27、进一步地，还包括以下步骤：

28、步骤六：钻头间歇式钻进，探头每到达一个目标深度，按所述步骤三、四、五得到该深度的含水率和旁压模量，进而得到连续深度土体的含水率和旁压模量。

29、进一步地，所述步骤四中，得到t2分布谱的方法包括以下步骤：

30、核磁共振探头测量的核磁共振横向磁化矢量回波衰减信号如公式（1）：

31、(1)

32、式（1）中，为第i个磁化矢量强度，为衰减时间，为设定的第j个横向弛豫时间，为第j个横向弛豫时间对应的幅度；核磁共振测量原始信号经反演算法处理需要通过反演得到，即得到t2分布谱。

33、进一步地，所述步骤五中，由t2分布谱得到土体含水率的方法包括以下步骤：

34、按公式（2）计算土体的含水量：

35、(2)

36、式（2）中，为核磁共振探头测量土体中水信号的总体积；和分别为t2分布谱的最大值和最小值；

37、按公式（3）计算土体的含水率：

38、(3)

39、式（3）中，为核磁共振探头测量区域的总体积；为含水率。

40、进一步地，所述步骤五中，由旁压曲线得到土层的旁压模量的方法包括以下步骤：

41、基于旁压曲线直线段的斜率，按公式（4）计算旁压模量，按公式（5）计算旁压剪切模量：

42、(4)

43、(5)

44、式（4）、（5）中，为泊松比；为旁压器的固有体积；为与初始压力对应的体积；为与临塑压力对应的体积；为旁压曲线直线段的斜率。

45、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

46、1.本技术采用自钻系统将探头钻进至地下土体的目标深度，钻进与测量同步进行，有助于减少土体的扰动，提高测量的准确性；

47、2.随着钻进的深入，可以得到地下连续深度原状土的水分含量和土体变形性质等信息，对于研究土体动态变化和全面理解土体行为具有重要的科研和应用价值；

48、3.本技术可应用于有机污染场地的测量，对油类污染土的污染区域实现快速勘察，并得到土体污染后的力学信息。