CN102841129B - 一种岩土工程模型试验重力场模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种岩土工程模型试验重力场模拟装置及方法，属于岩土工程试验装置及方法。利用磁敏性相似材料在磁场中受磁力作用的特性，由所受磁力场模拟模型试验所需重力场；通过永磁体或超导体与通电线圈组合的试验装置在试验空间内产生沿重力场方向线性分布的磁场强度，最小磁场强度足以使磁敏性相似材料饱和磁化，该线性分布磁场强度可使磁敏性相似材料受到一个与重力场方向相同，大小可调的磁力作用，从而得到模型试验所需要的重力状态。优点：可产生稳定的线性分布磁场，使磁敏性相似材料受到一个稳定的磁场力，其值恒定，可通过该磁力场模拟由磁敏性相似材料制成的模型试样所需要的重力场。设备简单，价格低廉，测试简单、方便，具有较强的可操作性。

Description

一种岩土工程模型试验重力场模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及一种岩土工程试验装置及方法，特别是一种岩土工程模型试验重力场模拟装置及方法。

背景技术

模型试验作为岩土工程研究的主要方法，因其能更真实反映岩土工程的特性，可定性或者定量反映与岩土工程有关的天然岩土受力特性及与其相关联的地下工程结构的相互影响而得到广泛应用。现有的模型试验方法主要有静力加载方法和离心模拟法。静力加载方法由于只在常规重力场下模拟，不能有效模拟岩土体所受应力，且需要进行相似材料的配置，而找到完全匹配的相似材料十分困难。因此产生了离心模拟方法，离心模型试验是通过离心惯性力模拟重力的方法，可以较好的反应原型应力场，而得到了广泛应用。但离心模拟方法由于设备制造，维护均较昂贵，且不能反应动态的开挖过程。所以现有的模型试验方法还以静力加载方法为主，但其所获得结果未必能反应真实岩土体受力。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种岩土工程模型试验重力场模拟装置及方法，解决现有的模型试验方法所获得结果不能真实反应岩土体受力的问题。

技术方案：本发明的目的是这样实现的：该岩土工程模型试验重力场模拟包括装置及方法，所述的装置：包括通电线圈、尼龙棒、环氧板、永磁体或超导体；在通电线圈的中间有环氧板，环氧板为通电圈的框架，在通电线圈的一端连接有永磁体或超导体，通电线圈与永磁体或超导体的组合体有二个，在二个通电线圈之间连接有尼龙棒，在二个通电线圈和尼龙棒构建的空间的几何中心置有磁敏性相似材料。

所述的通电线圈由一对相同轴心、相同匝数，绕线方向相反的圆形线圈构成；在二个通电线圈中通以大小相等、方向相反的电流；线圈半径为线圈的平均半径R，两线圈之间的净距                                               。

岩土工程模型试验重力场模拟方法，包括以下步骤：

（1）根据模型试验相似理论，通过模型尺寸的相似缩比得到模型试验所需要的重力比。

（2）由模型试验的重力比，获得模型试验中磁敏性相似材料所需的重力值。

（3）根据磁敏性相似材料饱和磁化所需的磁场强度选取磁场强度足以使相似材料饱和磁化的永磁体或者超导体。

（4）根据模型试验中磁敏性相似材料所需的重力值，通过调整本发明装置中线圈的电流值，其产生的线性磁场强度值可使磁敏性相似材料所受磁力值与所需重力值相等。

（5）将磁敏性相似材料置于本发明装置中，给线圈通电产生所需磁场，进而根据试验需要可进行模型试验。

有益效果，由于采用了上述方案，根据模型试验相似参数，选取磁敏性相似材料为样品，将样品置于由永磁体或超导体与通电线圈组合的试验装置中，永磁体可自身产生固定磁场，超导体可由超导线圈通电产生稳定磁场，永磁体或超导体主要产生较大的均匀磁场，使其产生的磁场强度能饱和磁化磁敏性相似材料，由通电线圈产生的线性分布磁场产生对磁敏性相似材料的一个与重力方向相同的稳定磁场力作用，磁力值可根据试验所需调节，试验装置产生沿重力场线性分布的磁场强度，试验装置的最小磁场强度足以使磁敏性相似材料饱和磁化，磁敏性相似材料可受到一个与重力方向相同的稳定磁力作用；获得模拟试验所需要的重力场。解决了现有的模型试验方法所获得结果不能真实反应岩土体受力的问题，达到了本发明的目的。

优点：本发明可产生稳定的线性分布磁场，使磁敏性相似材料受到一个稳定的磁场力，其值恒定，可通过该磁力场模拟由磁敏性相似材料制成的模型试样所需要的重力场。同时测试中可根据需要不断调整磁敏性相似材料所受到的磁力，经济、方便的产生模拟相应重力场，操作方便，设备简单，测试方便。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为磁敏性相似材料所受的磁重力比沿模型高度的分布。

图中：1、通电线圈；2、尼龙棒；3、环氧板；4、永磁体或超导体；5、磁敏性相似材料。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步说明。

实施例1：该岩土工程模型试验重力场模拟包括装置及方法，所述的装置包括通电线圈1、尼龙棒2、环氧板3、永磁体或超导体4；在通电线圈1的中间有环氧板3，环氧板3为通电圈的框架，在通电线圈1的一端连接有永磁体或超导体4，通电线圈1与永磁体或超导体4的组合体有二个，在二个通电线圈1之间连接有尼龙棒2，在二个通电线圈1和尼龙棒2构建的空间的几何中心置有磁敏性相似材料5。

所述的通电线圈由一对相同轴心、相同匝数，绕线方向相反的圆形线圈构成；在二个通电线圈中通以大小相等、方向相反的电流；线圈半径为线圈的平均半径R，两线圈之间的净距。

岩土工程模型试验重力场模拟方法，包括以下步骤：

（1）根据模型试验相似理论，通过模型尺寸的相似缩比得到模型试验所需要的重力比。

（2）由模型试验的重力比，获得模型试验中磁敏性相似材料所需的重力值。

（3）根据磁敏性相似材料饱和磁化所需的磁场强度选取磁场强度足以使相似材料饱和磁化的永磁体或者超导体。

（4）根据模型试验中磁敏性相似材料所需的重力值，通过调整本发明装置中线圈的电流值，其产生的线性磁场强度值可使磁敏性相似材料所受磁力值与所需重力值相等。

（5）将磁敏性相似材料置于本发明装置中，给线圈通电产生所需磁场，进而根据试验需要可进行模型试验。

一种岩土工程模型试验重力场模拟装置及方法，通过相似理论获得模型试验的相似参数。选用合适的磁敏性相似材料5。在图1中，制造永磁体4，通电线圈1所组成磁场产生装置，使其产生的磁场值线性分布，两个永磁体4尺寸相等，磁场强度也相等，可在其空间（A，B，C，D）区域内生成均匀磁场，其磁场强度值可使磁敏性相似材料饱和磁化。两个通电线圈1具有相同的内半径和外半径，相同匝数，相互平行，拥有同一个轴心，线圈之间的净距与线圈平均半径R的关系为时，通以反向相等的电流时，则可在其内部空间（A，B，C，D）内生成线性分布的磁场强度，永磁体和通电线圈在（（A，B，C，D）区域内产生的磁场。试验开始前将电流值调到最低，使试验装置在较小负载下运行，运行正常后，再将电流调大，直到磁场强度值达到设计值。再将磁敏性相似材料5放置于（A，B，C，D）区域内，磁敏性相似材料中的磁性物质将受到一个与重力方向相同的磁力作用，在这磁场力作用下，再进行模型试验测试。

Claims (3)

1.一种岩土工程模型试验重力场模拟装置，其特征是：所述的装置包括通电线圈、尼龙棒、环氧板、永磁体或超导体；在通电线圈的中间有环氧板，环氧板为通电线圈的框架，在通电线圈的一端连接有永磁体或超导体，通电线圈与永磁体或超导体的组合体有二个，在二个通电线圈之间连接有尼龙棒，在二个通电线圈和尼龙棒构建的空间的几何中心置有磁敏性相似材料。

2.根据权利要求1所述的一种岩土工程模型试验重力场模拟装置，其特征是：所述的通电线圈由一对相同轴心、相同匝数，绕线方向相反的圆形线圈构成；在二个通电线圈中通以大小相等、方向相反的电流；线圈半径为线圈的平均半径R，单个线圈厚度为h，两通电线圈之间的净距                                               。

3.一种岩土工程模型试验重力场模拟方法，其特征是：包括以下步骤：

（1）根据模型试验相似理论，通过模型尺寸的相似缩比得到模型试验所需要的重力比；

（2）由模型试验的重力比，获得模型试验中磁敏性相似材料所需的重力值；

（3）根据磁敏性相似材料饱和磁化所需的磁场强度选取磁场强度足以使相似材料饱和磁化的永磁体或者超导体；

（4）根据模型试验中磁敏性相似材料所需的重力值，通过调整通电线圈的电流值，其产生的线性磁场强度值可使磁敏性相似材料所受磁力值与所需重力值相等；

（5）将磁敏性相似材料置于二个通电线圈和尼龙棒构建的空间的几何中心处，给线圈通电产生所需磁场，进而根据试验需要可进行模型试验。