[发明专利]一种基于核磁扫描的CRS温控固结系统及方法

权利要求书

1.一种基于核磁扫描的CRS温控固结系统，其特征在于，该系统包括连续加荷装置、固结室、温度控制装置、计算机和数据采集与处理系统和核磁共振扫描装置；

所述的连续加荷装置包括加载架(4)、操作台(5)、步进式电机(6)和加压杆(7)；其中，加载架(4)固定在操作台(5)上，其为两个竖向圆杆与水平横梁相连组成的简支梁结构；步进式电机(6)安装在加载架(4)的水平横梁中部，步进式电机(6)下依次连接轴压传感器(2)和凹槽式螺母(8)，通过凹槽式螺母(8)的凹槽限制加压杆(7)水平位移；高精度测位计(1)反向固定在步进式电机(6)上，其测头与加载架(4)的水平横梁接触，用于测量其与水平横梁的距离，从而得到竖向位移；

所述的固结室包括底座(9)、有机玻璃罩(10)、护环(11)和阀；其中，底座(9)置于操作台(5)上；护环(11)固定在底座(9)圆环凹槽上，护环(11)内依次放置透水石、滤纸、试样、滤纸、透水石，加压杆(7)直接作用在透水石上；底座(9)上设有中心孔，中心孔分为两端，一端依次连接阀I(13)和孔压传感器(3)，用于测量固结过程产生的超孔压；另一端连接阀II(14)，用于排水；护环外的底座(9)两侧对称设有两个孔道，分别连接阀III(15)和阀Ⅳ(16)；所述有机玻璃罩(10)安装在底座(9)的圆形台阶上，有机玻璃罩(10)顶部设有用于通过加压杆(7)的圆孔，圆孔直径大于加压杆(7)直径，避免由于摩擦引起误差；

两个半圆环形限位块(18)与有机玻璃罩(10)顶部的圆形凸起倒角配合，限制加压杆移动；

所述的温度控制装置包括加热制冷器(19)和微型循环泵(20)；经过加热制冷器(19)后的水通过微型循环泵(20)从阀III(15)进入固结室，从阀Ⅳ(16)流出固结室，构成循环结构，来控制固结温度；固结室外套有保温罩；

所述的计算机和数据采集与处理系统包括数据采集模块和自动处理模块；其中，数据采集模块连接高精度侧位计(1)、轴压传感器(2)和孔压传感器(3)，收集各个传感器的数据；自动处理模块与数据采集模块连接，实时生成轴向位移、孔压和轴压随时间的图像；

所述的核磁共振扫描装置，原位扫描土体，生成土体固结方向和垂直固结方向的图像，对扫描后生成的图像分析。

2.根据权利要求1所述的一种基于核磁扫描的CRS温控固结系统，其特征在于，底座(9)的圆环凹槽上设有环形橡胶圈；底座(9)的圆形台阶与有机玻璃罩(10)间固定有环形橡胶圈(17)。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于核磁扫描的CRS温控固结系统，其特征在于，所述的加压杆(7)、底座(9)、有机玻璃罩(10)、护环(11)、阀和限位块(18)均为有机玻璃材料。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于核磁扫描的CRS温控固结系统，其特征在于，加压杆(7)杆身进行磨砂处理。

5.根据权利要求3所述的一种基于核磁扫描的CRS温控固结系统，其特征在于，加压杆(7)杆身进行磨砂处理。

6.一种如权利要求1-5任一所述的基于核磁扫描的CRS温控固结系统的测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：试样在装样前进行浸泡；浸泡结束后、装样前，计算试样的初始孔隙比e₀：

其中，ρ_w为水密度，G_s为土重度，ω₀为含水量，ρ₀为试样密度；

步骤2：首先打开计算机和数据采集与处理系统；然后，将底座(9)置于操作台(5)上，将护环(11)安装在底座(9)的圆环凹槽内，护环(11)内放置透水石，此时阀II(14)关闭，通过阀I(13)向底座(9)中心孔内通无气水，保证透水石以及中间通道的管线充满水；通满之后关闭阀I(13)，连接阀I(13)与孔压传感器(3)，并打开阀I(13)，将孔压传感器(3)清零；再在护环(11)内依次放置滤纸、试样、滤纸、透水石、加压杆(7)；将有机玻璃罩(10)固定在底座(9)上；先将轴压传感器(2)清零，步进式电机(6)再缓缓落下，直至轴向应力为1kPa时，立即停止，将位移清零；

步骤3：通过阀III(15)注入无气水，直至距离有机玻璃罩(10)顶1cm停止，关闭阀III(15)；套上固结室的保温罩；打开阀III(15)、阀Ⅳ(16)、加热制冷器(19)和微型循环泵(20)，控制温度至目标温度；

步骤4：打开阀II(14)排水，打开步进式电机(6)控制应变速率，进行固结；

步骤5：在固结过程中或固结完成后，停止步进式电机(6)，记录轴力大小；关闭阀I(13)、阀II(14)、阀III(15)和阀Ⅳ(16)；用限位块(18)固定加压杆(7)，防止加压杆在核磁共振扫描过程中回弹；步进式电机(6)上升，取出固结室；

步骤6：将固结室放入核磁共振扫描装置内进行扫描，生成土体固结方向和垂直固结方向两个截面的图像；对扫描后生成的图像，计算黏土颗粒的等效直径d、丰度C、圆形度e、分形维数D_f和定向概率熵H_m，计算公式如下：

(1)黏土颗粒的等效直径d为

式中，A为结构单元体或孔隙的实际面积；

(2)丰度C是指一个平面图形中短轴与长轴的比值：

式中，B和L分别为结构单元体或孔隙的短轴值和长轴值；

(3)圆形度e描述结构单元体或孔隙形状接近圆形的程度：

式中，l表示结构单元体或孔隙的周长；

(4)对于任意结构单元体或孔隙，其周长与面积的关系表示为：

式中：D_f为分形维数，l(ε)为单元体周长，A(ε)为单元体面积，α为系数；

(5)定向概率熵H_m反映黏性土结构单元体或孔隙排列的有序性，定向概率熵的计算公式如下：

式中，P_k(θ)为定向频率，表示结构单元体或孔隙在某一方向的分布概率；m_k为结构单元体或孔隙在第k个方向区间的个数，将结构单元体或孔隙的角度等分为n个方向区间；M为结构单元体或孔隙的总数量；θ为每个方向区间的角度范围；

步骤7：将固结室放回操作台(5)上，连接管线，打开阀I(13)、阀II(14)、阀III(15)和阀Ⅳ(16)，将加压杆(7)安装在轴压传感器(2)上，步进式电机(6)缓缓下落，直至轴力达到卸载之前的值，立即停止步进式电机(6)，取下限位块(18)，解开对加压杆的约束，继续试验；

步骤8：试验结束后根据获得的数据计算试样任意时刻的孔隙比e_i和有效压力σ_i'；再根据初始孔隙比e₀、任意时刻的孔隙比e_i和有效压力σ_i'计算土体的固结参数E_s、m_v、a_v、C_c、C_s、C_v：

(1)试验过程中任意时刻试样的孔隙比e_i为：

任意时刻试样的有效压力σ_i'为：

其中，Δh为试样高度的变化；h₀为试样的初始高度；σ_i'为任意时刻试样上的有效压力，kPa；σ_i为任意时刻试样上施加的总压力，kPa；u_b为任意时刻试样底部的孔隙水压力，kPa；

(2)某一压力范围内的压缩模量E_s、体积压缩模量m_v和压缩系数a_v按下式计算：

压缩指数C_c和回弹指数C_s按下式计算：

任意时刻的固结系数C_v按下式计算：

其中，Δε为两个数据间的应变变化，％；h为两个数据间的试样平均高度，cm；Δt为两个数据间的历时，s；u'_b为两个数据间试样底部测得的孔隙水压力平均值，kPa；

步骤9：固结过程中定向概率熵H_m和固结系数C_v会发生变化，定向概率熵越低，表明土颗粒分布越均匀，土固结的越好；将步骤6获得的定向概率熵H_m和步骤8获得的固结系数C_v建立联系：

其中，C_vt为固结过程中试样的固结系数，C_v0为试样的初始固结系数，H_mt为固结过程中试样的定向概率熵，H_m0为试样的初始定向概率熵。