CN103247208B - 基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置及方法，所述装置包括主试验台、核心磁场发生器和核心试验台；所述核心磁场发生器包括直流电源、均匀场线圈和梯度场线圈，所述梯度场线圈包括A梯度场线圈和B梯度场线圈；所述均匀场线圈、A梯度场线圈和B梯度场线圈同轴固定，且A梯度场线圈和B梯度场线圈均套设在均匀场线圈外、A梯度场线圈和B梯度场线圈在轴向上存在间隙；通电时A梯度场线圈和B梯度场线圈具有大小相同、方向相反的电流场。本发明基于场相似的原理，利用电磁力场与重力场的相似性，通过磁敏性岩土体相似材料在均匀梯度磁场中受到的电磁力场与重力场的叠加场来模拟重力场，从而达到模拟n倍重力场的效果。

Description

基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置及方法，属于岩土工程模型技术。

背景技术

岩土工程领域面临着岩土强度破坏、变形失稳和加固处理等问题，面对这些复杂问题，一方面要借助理论和数值分析去研究；另一方面更多地要借助岩土工程模型试验手段来解决。

常规岩土工程模型试验是在1倍的重力场（1g）内，按几何相似将原型尺寸缩小n倍的模拟试验，根据相似理论可知，为保证模型试验的相似性，在将几何尺寸缩小n倍的同时，需要将模型的盈利水平增加n倍。由于岩土体是碎散性材料，目前还难于实施在保持其原有物理、力学性质条件下，将其自重应力水平转化为1/n。土工离心模型试验的诞生在一定程度上解决了这一难题，土工离心模型试验是基于用离心惯性力场模拟重力场的原理，通过施加在模型上的离心惯性力将模型的容重变大，从而使模型中各点的应力与原型趋于一致。然而，虽然离心机模型试验的受力条件与实际相近，但由于离心试验复杂，同时存在测试技术缺陷及重力场与实际重力场存在力线的不平行性、难以模拟施工过程，以及离心机的投资巨大等固有缺点，使离心模型试验的发展受到了限制。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置及方法，基于场相似的原理，利用电磁力场与重力场的相似性，通过磁敏性岩土体相似材料在均匀梯度磁场中受到的电磁力场与重力场的叠加场来模拟重力场，从而达到模拟n倍重力场的效果。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置，包括主试验台、核心磁场发生器和核心试验台；

所述核心磁场发生器包括直流电源、均匀场线圈和梯度场线圈，所述直流电源包括A直流电源和B直流电源，所述梯度场线圈包括A梯度场线圈和B梯度场线圈；所述均匀场线圈、A梯度场线圈和B梯度场线圈同轴固定，且A梯度场线圈和B梯度场线圈均套设在均匀场线圈外、A梯度场线圈和B梯度场线圈在轴向上存在间隙；所述A直流电源与均匀场线圈通过导线电连接，所述B直流电源与A梯度场线圈和B梯度场线圈通过导线电连接，通电时A梯度场线圈和B梯度场线圈具有大小相同、方向相反的电流场；

所述核心试验台包括模型台和加载底座，所述加载底座固定在均匀场线圈内侧底部，所述模型台可在均匀场线圈内部沿其轴向移动；

所述主试验台包括试验台支架，所述核心磁场发生器和核心试验台均安装在试验台支架上。

优选的，还包括恒温冷浴，所述均匀场线圈、A梯度场线圈和B梯度场线圈的内外层均环绕有与恒温冷浴相连的冷却液管并构成冷却回路。

如现有技术，均匀场线圈、A梯度场线圈和B梯度场线圈均为中心带圆孔的结构，具体设计时，可以按如下尺寸进行限定：均匀场线圈的高度与其平均直径比为2.0，A梯度场线圈和B梯度场线圈尺寸相同、且两者之间的轴向间隙为其平均半径的1.7倍左右，比如1.73205倍平均半径。

优选的，所述模型台的移动范围在加载底座上端面和均匀场线圈上端口之间，即核心磁场区域内。

优选的，所述模型台为非磁敏性材质，比如采用环氧树脂材质的圆形平台，为了保证能够在均匀场线圈中滑动自如，要求其直径略小于均匀场线圈的内径。

优选的，所述核心试验台还包括相适配的导轨以及滑块，所述滑块安装在导轨上，所述模型台通过连杆固定在滑块上；导轨和滑块的设计是为了保证模型台的运行平稳，当然也可以采用其他结构保证模型台的平稳运行；这里导轨的结构无特别限定，优选采用结构简单的凹型导轨，凹型导轨的结构简单且空间占用小；这里需要保证模型台滑动自如；一般设计模型台和连杆之间、连杆和在滑块之间通过胶黏结结构固定，一般为高强度固体胶。

优选的，所述加载底座的上端面与B梯度场线圈的上端口齐平。

优选的，所述均匀场线圈、A梯度场线圈和B梯度场线圈均以玻璃钢材料作为骨架由铜导线缠绕而成；可以按如下方式进行均匀场线圈、A梯度场线圈和B梯度场线圈的制作：均匀场线圈、A梯度场线圈和B梯度场线圈均由铜导线按相同方向在径向和轴向进行均匀缠绕，这样，为了保证通电时A梯度场线圈和B梯度场线圈具有大小相同、方向相反的电流场，在接线时，A梯度场线圈和B梯度场线圈通过导线反向串联并与B直流电源相连接；电流沿截面均匀分布，且电流方向与轴对称方向构成右手螺旋关系。

具体的，所述试验台支架由四根竖向不锈钢实心方管柱和三层横向不锈钢实心方管柱构成，其中四根竖向不锈钢实心方管柱底端设置有支架底座，三层横向不锈钢实心方管柱由下至上依次为底层固定横梁、中层固定横梁和顶层固定横梁，所述底层固定横梁用于固定均匀场线圈、A梯度场线圈和加载底座，所述中层固定横梁用于固定均匀场线圈和B梯度场线圈，所述顶层固定横梁用于为核心试验台提供支撑。

上述试验台支架中，不锈钢实心方管柱之间可以通过焊接固定，每层横向不锈钢实心方管柱可以由两根不锈钢实心方管柱构成。

一种基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置的试验方法，包括如下步骤：

（1）将A直流电源和B直流电源的输入端分别接入外设电源、输出端分别与均匀场线圈、以及A梯度场线圈和B梯度场线圈相连接；

（2）设定冷却温度、开启恒温冷浴，对均匀场线圈、以及A梯度场线圈和B梯度场线圈进行冷却；

（3）核心磁场区域为均匀场线圈内加载底座以上部分，核心磁场区域的磁场由轴向均匀磁场和轴向梯度磁场叠加而成，通过调节A直流电源的输出电流大小控制轴向均匀磁场大小，通过调节B直流电源的输出电流大小控制轴向梯度磁场大小；

（4）将模型台移至核心磁场区域外进行试样以及传感器的安装，安装完成后将模型台移至核心磁场区域内；

（5）待恒温冷浴达到设定温度后，开启A直流电源和B直流电源，并根据所需试验重力场环境调节A直流电源和B直流电源的输出电流值直至产生所需要的磁场环境；此时核心磁场区域同时具备轴向均匀磁场和轴向梯度磁场，试样在核心磁场区域内受到电磁力和自身重力叠加场以模拟n倍重力场；

（6）进行岩土工程模型试验，同时对A直流电源和B直流电源的输出电流值进行监测，保证核心磁场区域的磁场环境始终满足要求；

（7）岩土工程模型试验完成后，先将A直流电源和B直流电源的电流输出值调节为零，再关闭外设电源开关，取出试样，继续对A直流电源和B直流电源进行冷却直至常温，关闭恒温冷浴。

一般来说，所述A直流电源和B直流电源均为工频全波整流方式的可调直流电源。

有益效果：本发明提供的基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置及方法，相比较现有技术，具备如下优点：可以广泛用于岩土工程领域以及其他工程领域的模型试验中，通过调节电流可以模拟不同大小的重力场，为模型试验中重力场的模拟提供一种新途径；核心磁场区域具有高强度均匀磁场和高均匀度梯度磁场，高均匀度梯度磁场能够保证所模拟重力场与实际重力场的相似，同时能够模拟较高的重力场；高强度均匀磁场能够保证所采用的磁敏性相似材料在磁场环境中饱和磁化，并可以消除因材料磁化后产生的磁场对试验环境磁场的干扰；采用静磁场模拟重力场，很好地克服了传统的离心模型试验模拟重力场时由于高速旋转而引起的模拟施工过程困难，传感器安装困难等缺陷；通过磁力场模拟重力场，重力场的施加通过调节电流的大小瞬间完成，克服了离心模型试验施加重力场需要一定时间段而引起的试验误差；采用恒温冷浴对试验时匀场线圈以及梯度线圈中铜丝的发热进行控制，有效地减小了铜丝因为过热熔断而造成的试验台损坏。

附图说明

图1为本发明的正视结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为本发明的侧视结构示意图；

图4为本发明的剖视结构示意图；

图5为试验台支架的结构示意图；

图中：1、均匀场线圈，2A、A梯度场线圈，2B、B梯度场线圈，3、模型台，4、导轨，5、滑块，6、连杆，7、中层固定横梁，8、试验台支架，9、冷却液管，10、恒温冷浴，11、冷却液进液管，12、冷却液出液管，13A、A直流电源，13B、B直流电源，14、导线，15、主试验台，16、加载底座，17、支架底座，18、底层固定横梁，19、顶层固定横梁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、图2、图3、图4所示，为一种基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置，其特征在于：包括主试验台15、核心磁场发生器、核心试验台和恒温冷浴10。

所述核心磁场发生器包括直流电源、均匀场线圈1和梯度场线圈，所述直流电源包括A直流电源13A和B直流电源13B，所述梯度场线圈包括A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B；所述均匀场线圈1、A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B同轴固定，且A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B均套设在均匀场线圈1外、A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B在轴向上存在间隙；所述A直流电源13A与均匀场线圈1通过导线14电连接，所述B直流电源13B与A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B通过导线14电连接，通电时A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B具有大小相同、方向相反的电流场。

所述均匀场线圈1、A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B均由铜导线按相同方向缠绕组成，线圈缠绕均采用玻璃钢材料作为骨架，以保证线圈的机械强度。所述均匀场线圈1、A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B均为中心圆孔的结构；均匀场线圈的高度与其平均直径比为2.0，其内径为500mm，外径为900mm；A梯度场线圈和B梯度场线圈尺寸相同、具有相同的铜导线缠绕匝数，其内径为905mm，外径为1205mm，铜导线缠绕高度为200mm，A梯度场线圈和B梯度场线圈之间的轴向间隙为其平均半径的1.73205倍，即914mm。

如图1、图2所示，所述均匀场线圈1与A直流电源13A通过导线14电连接，为均匀场线圈1内部提供均匀强磁场；所述A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B反向串联并与B直流电源13B通过导线14电连接，保证A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B在通电时具有大小相同、方向相反的电流场，在均匀场线圈1内部提供均匀梯度磁场；这里，设计A直流电源13A和B直流电源13B均为工频全波整流方式的可调直流电源；通过调节A直流电源13A的电流输出大小控制试验台核心磁场区域的匀强磁场的大小，通过调节B直流电源13B的大小调节核心磁场区域磁场梯度磁场的大小，所述核心磁场区域竖向磁场具有较高的线性梯度和较高的匀强磁场，径向磁场大小基本一致。如下表所示为核心磁场区域匀强磁场大小以及梯度磁场大小与直流电源电流输出对应关系。

表1核心磁场区域匀强磁场大小以及梯度磁场大小与直流电源电流输出对应关系

所述核心试验台包括相适配的导轨4以及滑块5、模型台3和加载底座16，所述滑块5安装在导轨4上，所述模型台3通过连杆6以高强度固体胶黏结结构固定在滑块5上，所述加载底座16固定在均匀场线圈1内侧底部；所述模型台3在均匀场线圈1内部沿其轴向移动，具体的移动范围为加载底座16上端面和均匀场线圈1上端口之间，上下行程为1000mm；所述模型台3为环氧树脂材质的圆形平台，其直径与均匀场线圈1的内径相配合，即直径460mm，厚度20mm；这里选择的导轨4为凹型导轨。

所述加载底座16为不锈钢材质，其直径略小于均匀场线圈1的内径，具体为480mm，设计加载底座16的上端面与B梯度场线圈2B的上端口齐平，加载底座16的高度为293mm。

所述均匀场线圈1、A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B的内外层均环绕有与恒温冷浴10相连的冷却液管9并构成冷却回路；如图所示，在均匀场线圈1、A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B的内部和外部均紧密包裹有一层均匀分布的冷却液管9，所述冷却液管9与恒温冷浴10通过冷却液进液管11和冷却液出液管12相连接形成冷却回路，可通过恒温冷浴10向冷却液管9内注入冷却液，冷却液吸均匀场线圈1、A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B散发的热量，进而起到冷却的目的。

所述主试验台15包括试验台支架8，所述核心磁场发生器和核心试验台均安装在试验台支架8上；所述试验台支架8由四根竖向不锈钢实心方管柱和三层横向不锈钢实心方管柱焊接构成，其中四根竖向不锈钢实心方管柱底端设置有支架底座17，三层横向不锈钢实心方管柱由下至上依次为底层固定横梁18、中层固定横梁7和顶层固定横梁19，所述底层固定横梁18用于固定均匀场线圈1、A梯度场线圈2A和加载底座16，所述中层固定横梁7用于固定均匀场线圈1和B梯度场线圈2B，所述顶层固定横梁19用于为核心试验台提供支撑。

一种基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置的试验方法，包括如下步骤：

（1）将A直流电源13A和B直流电源13B的输入端分别接入外设220V电源、输出端分别与均匀场线圈1、以及A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B相连接；

（2）将恒温冷浴10接入外设220V电源，并将冷却液进液管11和冷却液出液管12分别与恒温冷浴10的出液端和进液端连接构成冷却回路，连接好检查无误后，设定冷却温度、开启恒温冷浴10，对均匀场线圈1、以及A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B进行冷却；

（3）核心磁场区域为均匀场线圈1内加载底座16以上部分，核心磁场区域的磁场由轴向均匀磁场和轴向梯度磁场叠加而成，通过调节A直流电源13A的输出电流大小控制轴向均匀磁场大小，通过调节B直流电源13B的输出电流大小控制轴向梯度磁场大小；

（4）将模型台3移至核心磁场区域外进行试样以及传感器的安装，安装完成后将模型台3移至核心磁场区域内；

（5）待恒温冷浴10达到设定温度后，开启A直流电源13A和B直流电源13B，并根据所需试验重力场环境调节A直流电源13A和B直流电源13B的输出电流值直至产生所需要的磁场环境；电流的调节可根据表1进行；此时核心磁场区域产生高强度均匀梯度磁场；此时核心磁场区域同时具备轴向均匀磁场和轴向梯度磁场，试样在核心磁场区域内受到电磁力和自身重力叠加场以模拟n倍重力场；

（6）进行岩土工程模型试验，同时对A直流电源13A和B直流电源13B的输出电流值进行监测，保证核心磁场区域的磁场环境始终满足要求；

（7）岩土工程模型试验完成后，先将A直流电源13A和B直流电源13B的电流输出值调节为零，再关闭外设电源开关，取出试样，继续对A直流电源13A和B直流电源13B进行冷却直至常温，关闭恒温冷浴10。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置，其特征在于：包括主试验台(15)、核心磁场发生器和核心试验台；

所述核心磁场发生器包括直流电源、均匀场线圈(1)和梯度场线圈，所述直流电源包括A直流电源(13A)和B直流电源(13B)，所述梯度场线圈包括A梯度场线圈(2A)和B梯度场线圈(2B)；所述均匀场线圈(1)、A梯度场线圈(2A)和B梯度场线圈(2B)同轴固定，且A梯度场线圈(2A)和B梯度场线圈(2B)均套设在均匀场线圈(1)外、A梯度场线圈(2A)和B梯度场线圈(2B)在轴向上存在间隙；所述A直流电源(13A)与均匀场线圈(1)通过导线(14)电连接，所述B直流电源(13B)与A梯度场线圈(2A)和B梯度场线圈(2B)通过导线(14)电连接，通电时A梯度场线圈(2A)和B梯度场线圈(2B)具有大小相同、方向相反的电流场；

所述均匀场线圈(1)的高度与其平均直径比为2.0，A梯度场线圈(2A)和B梯度场线圈(2B)之间的轴向间隙为其平均半径的1.7倍；

所述核心试验台包括模型台(3)和加载底座(16)，所述加载底座(16)固定在均匀场线圈(1)内侧底部，所述模型台(3)可在均匀场线圈(1)内部沿其轴向移动；

所述主试验台(15)包括试验台支架(8)，所述核心磁场发生器和核心试验台均安装在试验台支架(8)上。

2.根据权利要求1所述的基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置，其特征在于：还包括恒温冷浴(10)，所述均匀场线圈(1)、A梯度场线圈(2A)和B梯度场线圈(2B)的内外层均环绕有与恒温冷浴(10)相连的冷却液管(9)并构成冷却回路。

3.根据权利要求1所述的基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置，其特征在于：所述模型台(3)的移动范围在加载底座(16)上端面和均匀场线圈(1)上端口之间。

4.根据权利要求1所述的基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置，其特征在于：所述模型台(3)为环氧树脂材质的圆形平台。

5.根据权利要求1所述的基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置，其特征在于：所述核心试验台还包括相适配的导轨(4)以及滑块(5)，所述滑块(5)安装在导轨(4)上，所述模型台(3)通过连杆(6)固定在滑块(5)上。

6.根据权利要求1所述的基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置，其特征在于：所述加载底座(16)的上端面与B梯度场线圈(2B)的上端口齐平。

7.根据权利要求1所述的基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置，其特征在于：所述均匀场线圈(1)、A梯度场线圈(2A)和B梯度场线圈(2B)均以玻璃钢材料作为骨架由铜导线缠绕而成。

8.根据权利要求1所述的基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置，其特征在于：所述试验台支架(8)由四根竖向不锈钢实心方管柱和三层横向不锈钢实心方管柱构成，其中四根竖向不锈钢实心方管柱底端设置有支架底座(17)，三层横向不锈钢实心方管柱由下至上依次为底层固定横梁(18)、中层固定横梁(7)和顶层固定横梁(19)，所述底层固定横梁(18)用于固定均匀场线圈(1)、A梯度场线圈(2A)和加载底座(16)，所述中层固定横梁(7)用于固定均匀场线圈(1)和B梯度场线圈(2B)，所述顶层固定横梁(19)用于为核心试验台提供支撑。

9.根据权利要求1所述的基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将A直流电源(13A)和B直流电源(13B)的输入端分别接入外设电源、输出端分别与均匀场线圈(1)、以及A梯度场线圈(2A)和B梯度场线圈(2B)相连接；

(2)设定冷却温度、开启恒温冷浴(10)，对均匀场线圈(1)、以及A梯度场线圈(2A)和B梯度场线圈(2B)进行冷却；

(3)核心磁场区域为均匀场线圈(1)内加载底座(16)以上部分，核心磁场区域的磁场由轴向均匀磁场和轴向梯度磁场叠加而成，通过调节A直流电源(13A)的输出电流大小控制轴向均匀磁场大小，通过调节B直流电源(13B)的输出电流大小控制轴向梯度磁场大小；

(4)将模型台(3)移至核心磁场区域外进行试样以及传感器的安装，安装完成后将模型台(3)移至核心磁场区域内；

(5)待恒温冷浴(10)达到设定温度后，开启A直流电源(13A)和B直流电源(13B)，并根据所需试验重力场环境调节A直流电源(13A)和B直流电源(13B)的输出电流值直至产生所需要的磁场环境；此时核心磁场区域同时具备轴向均匀磁场和轴向梯度磁场，试样在核心磁场区域内受到电磁力和自身重力叠加场以模拟n倍重力场；

(6)进行岩土工程模型试验，同时对A直流电源(13A)和B直流电源(13B)的输出电流值进行监测，保证核心磁场区域的磁场环境始终满足要求；

(7)岩土工程模型试验完成后，先将A直流电源(13A)和B直流电源(13B)的电流输出值调节为零，再关闭外设电源开关，取出试样，继续对A直流电源(13A)和B直流电源(13B)进行冷却直至常温，关闭恒温冷浴(10)。

10.根据权利要求9所述的基于电磁线圈的岩土工程磁重力模型试验装置的试验方法，其特征在于：所述A直流电源(13A)和B直流电源(13B)均为工频全波整流方式的可调直流电源。