本申請涉及凍土測試，特別是涉及一種基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試方法及裝置。

背景技術：

1、凍土壓融是指凍土中的冰在高應力作用下發(fā)生融化的現(xiàn)象。當壓力增加時，冰的熔點降低，導致部分冰融化為水，削弱凍土結構穩(wěn)定性，且凍土壓融會導致土壤孔隙結構發(fā)生變化，還會促進裂隙的發(fā)育，降低凍土強度和承載力，增加工程結構變形和破壞的風險。因此，實時獲取凍土在壓融過程中含冰量變化、冰融化特征及孔隙裂隙演化規(guī)律，對于深入理解凍土力學壓融特征及工程安全至關重要。

2、凍土壓融測試的核心特征在于能夠在恒定的低溫環(huán)境下，實現(xiàn)三軸應力（圍壓、軸壓）的耦合施加以及營造實際工程中可能面臨的滲流環(huán)境，并通過快速、無損的測試方式最大限度地減少對冰的影響，實時動態(tài)獲取含冰量及孔隙裂隙特征數(shù)據(jù)。然而，現(xiàn)有的凍土壓融測試技術大多存在顯著局限性。例如，許多測試方法僅將凍結完成的土樣置于單軸抗壓強度試驗機中進行直接測試，缺乏低溫環(huán)境的控制，無法區(qū)分凍土壓融是由于外界作用還是壓力作用導致的。此外，盡管部分試驗機配置了低溫環(huán)境箱，但仍難以動態(tài)捕捉壓力作用下土體內部微觀孔隙裂隙的演變情況，也無法量化分析不同壓力作用下冰融化成水的量。

3、低場核磁共振（nmr）技術作為一種先進的無損檢測手段，能夠通過測量和分析低場核磁共振信號，精確確定樣品中含冰量（通過水反演分析）及孔隙裂隙的演化規(guī)律。目前，低場核磁共振技術已成功應用于常溫土三軸試驗中，同時獨立的溫控土三軸技術也取得了一定進展。然而，現(xiàn)有技術仍存在明顯不足：無法在圍壓、軸壓、滲流加載及低溫控制的耦合作用下，全過程動態(tài)捕捉三軸應力加載作用下土體內部的含冰量變化、冰形態(tài)特征、孔隙裂隙演化形態(tài)等。因此，圍繞應力作用下凍土壓融全過程演化特征分析，尚未形成一套完善的測試技術體系。特別是在三軸應力作用下，如何確保加壓過程中實時觀測土體內部冰的演化，以及如何采集壓融過程中孔隙裂隙的演化規(guī)律，仍是亟待解決的技術難題。

4、為了解決上述問題存在的不足，本申請?zhí)岢隽艘环N基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試方法及裝置。

技術實現(xiàn)思路

1、本申請的目的是提供一種基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試方法及裝置，可無損性、可視化的分析凍結土樣中冰融化時含冰量的演變規(guī)律及凍結土樣中冰的融化特征和孔隙裂隙的演變規(guī)律。

2、為實現(xiàn)上述目的，本申請?zhí)峁┝巳缦路桨福?/p>

3、第一方面，本申請?zhí)峁┝艘环N基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試方法，包括：

4、s1、模擬土樣真實環(huán)境的初始圍壓、軸壓和滲流速度，將土樣凍結至目標溫度并保持恒定；

5、s2、動態(tài)采集初始環(huán)境下凍結土樣的核磁共振圖像、整體及分層t2譜，初始環(huán)境是指模擬凍結土樣所處的真實軸壓、圍壓及滲流環(huán)境；整體及分層t2譜是指土樣的整體t2譜和土樣不同高度處的分層t2譜；

6、s3、改變不同圍壓及軸壓，動態(tài)采集圍壓和/或軸壓改變過程中凍結土樣的核磁共振圖像、整體及分層t2譜；

7、s4、根據(jù)初始環(huán)境下、圍壓和/或軸壓改變過程中凍結土樣的核磁共振圖像、整體及分層t2譜，分別分析在單一圍壓改變、單一軸壓改變和同時改變圍壓及軸壓過程中的凍土壓融演變特征；凍土壓融演變特征包括凍結土樣中冰融化時含冰量的演變規(guī)律及凍結土樣中冰的融化特征和孔隙裂隙的演變規(guī)律；孔隙裂隙的演變規(guī)律是根據(jù)孔隙和裂隙半徑的變化確定的；冰的融化特征是通過觀測土樣內部不同位置冰融化為水的過程中冰的形態(tài)變化確定的。

8、第二方面，本申請?zhí)峁┝艘环N基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試裝置，所述基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試裝置用于實現(xiàn)上述的基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試方法，所述基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試裝置包括：土三軸測試機構、低溫凍結機構、核磁共振測試機構和數(shù)據(jù)獲取及分析機構；

9、所述土三軸測試機構，用于模擬土樣所處環(huán)境的真實圍壓、真實軸壓和真實滲流情況，改變對凍結土樣所施加的圍壓和/或軸壓，以及采集凍結土樣在初始環(huán)境下的整體t2譜、圍壓和/或軸壓改變過程的凍結土樣的整體t2譜；初始環(huán)境是指模擬凍結土樣所處的真實軸壓、圍壓和滲流環(huán)境；

10、所述低溫凍結機構，用于將土樣凍結至目標溫度并保持恒定；

11、所述核磁共振測試機構，用于向凍結土樣提供核磁共振磁場，采集凍結土樣在初始環(huán)境下的核磁共振圖像、凍結土樣不同高度處的分層t2譜以及圍壓和/或軸壓改變過程中的凍結土樣的核磁共振圖像和凍結土樣不同高度處的分層t2譜；

12、所述數(shù)據(jù)獲取及分析機構，用于根據(jù)初始環(huán)境下、圍壓和/或軸壓改變過程中凍結土樣的核磁共振圖像、整體t2譜及分層t2譜，分別分析在單一圍壓改變、單一軸壓改變和同時改變圍壓及軸壓過程中的凍土壓融演變特征；凍土壓融演變特征包括凍結土樣中冰融化時含冰量的演變規(guī)律及凍結土樣中冰的融化特征和孔隙裂隙的演變規(guī)律；孔隙裂隙的演變規(guī)律是根據(jù)孔隙和裂隙半徑的變化確定的；冰的融化特征是通過觀測土樣內部不同位置冰融化為水的過程中冰的形態(tài)變化確定的。

13、根據(jù)本申請?zhí)峁┑木唧w實施例，本申請公開了以下技術效果：

14、本申請?zhí)峁┝艘环N基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試方法及裝置，模擬土樣真實環(huán)境的初始圍壓、軸壓和滲流速度，將土樣凍結至目標溫度并保持恒定；動態(tài)采集初始環(huán)境下凍結土樣的核磁共振圖像、整體及分層t2譜；改變圍壓和/或軸壓，動態(tài)采集圍壓和/或軸壓改變過程中凍結土樣的核磁共振圖像、整體及分層t2譜；根據(jù)初始環(huán)境下以及圍壓和/或軸壓改變過程中凍結土樣的核磁共振圖像、整體及分層t2譜，分別分析在單一圍壓改變、單一軸壓改變和同時改變圍壓及軸壓的過程中壓融演變特征。本申請能夠模擬凍土在實際環(huán)境中的受力狀態(tài)，更全面地了解凍土在不同應力條件下的壓融演化規(guī)律，能夠在不同應力作用下實時監(jiān)測凍土內部的變化，包括壓融后冰的變化過程、孔隙結構、裂隙變化等，有助于深入理解凍土在復雜應力環(huán)境下的行為機制。另外，無需對凍土樣品進行物理破壞，能夠保持樣品的完整性，從而更真實地反映凍土在自然狀態(tài)下的壓融特征和孔隙裂隙演化情況，實現(xiàn)了無損性、可視化的分析土體內部未凍水、孔隙結構、裂隙演化規(guī)律。

技術特征：

1.一種基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權利要求1所述的基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試方法，其特征在于，根據(jù)初始環(huán)境下、圍壓和/或軸壓改變過程中凍結土樣的核磁共振圖像、整體及分層t2譜，分別分析在單一圍壓改變、單一軸壓改變和同時改變圍壓及軸壓過程中的凍土壓融演變特征，具體包括：

3.根據(jù)權利要求2所述的基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試方法，其特征在于，含冰量是根據(jù)未凍水含量反演計算的，含冰量計算公式為：

4.根據(jù)權利要求1所述的基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試方法，其特征在于，孔隙和裂隙半徑的計算公式為：

5.一種基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試裝置，其特征在于，所述基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試裝置用于實現(xiàn)權利要求1-4任一項所述的基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試方法，所述基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試裝置包括：土三軸測試機構、低溫凍結機構、核磁共振測試機構和數(shù)據(jù)獲取及分析機構；

6.根據(jù)權利要求5所述的基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試裝置，其特征在于，所述土三軸測試機構具體包括：軸壓模擬模塊、圍壓模擬模塊、滲流模擬模塊和核磁探頭線圈；

7.根據(jù)權利要求6所述的基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試裝置，其特征在于，所述軸壓模擬模塊包括軸壓加載缸、下頂桿、下底板、土樣下底座、土樣上加載帽、上頂板、上頂桿和軸壓反力架；

8.根據(jù)權利要求7所述的基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試裝置，其特征在于，所述圍壓模擬模塊包括圍壓腔；土樣、土樣下底座和土樣上加載帽置于圍壓腔內；圍壓腔的上端連接上頂板，圍壓腔的下端連接下底板；所述核磁探頭線圈位于所述圍壓腔的外側；

9.根據(jù)權利要求8所述的基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試裝置，其特征在于，所述滲流模擬模塊包括滲流入口管路和滲流出口管路；

10.根據(jù)權利要求8所述的基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試裝置，其特征在于，所述低溫凍結機構與所述圍壓模擬模塊的結構相同；所述低溫凍結機構的凍結循環(huán)液入口為圍壓入口；所述低溫凍結機構的凍結循環(huán)液出口為圍壓出口；

技術總結
本申請公開了一種基于低溫核磁的三軸應力下凍土壓融演化測試方法及裝置，涉及凍土測試技術領域。針對現(xiàn)有技術難以實現(xiàn)低溫凍結?滲流?三軸應力的耦合施加、無法動態(tài)捕捉孔隙裂隙及含冰量變化的技術瓶頸，提出將低溫核磁共振測試技術和土三軸測試技術有機結合，全過程低溫在線精準凍結，實時采集測試數(shù)據(jù)，分析凍土壓融特征演化規(guī)律。測試方法包括以下步驟：模擬土樣真實環(huán)境的初始圍壓、軸壓和滲流速度，將土樣凍結至目標溫度并保持恒定；動態(tài)采集初始環(huán)境下核磁共振圖像、整體及分層T<subgt;2</subgt;譜；改變圍壓和/或軸壓，動態(tài)采集圍壓和/或軸壓改變過程中的核磁共振圖像、整體及分層T<subgt;2</subgt;譜；分析在不同應力作用下凍土壓融特征的全過程演變。

技術研發(fā)人員：周潔,周華德,劉成君,班超,石振明,王鑫,顧仁杰,孔祥楨
受保護的技術使用者：同濟大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/8