CN107703276A - 一种磁拟重力场环境静力触探物理模型试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁拟重力场环境静力触探物理模型试验装置和方法，所述装置使用加载杆拉长了磁拟重力场与压力计和位移计的距离，降低了磁拟重力场对压力计和位移计的影响；同时也拉长了三相异步电动机与磁拟重力场的距离，降低了三相异步电动机对磁拟重力场的影响。本发明利用本发明装置可以开展不同重力场环境下黏性土、无黏性土等多种岩土材料静力触探模型试验，可模拟多种颗粒尺度、级配和加载速率条件；利用本发明装置可有效避免试验磁场环境对压力计等传感元件的影响，试验装置也充分考虑了对磁场的干扰效应，保证磁拟重力场的精度和试验结果的可靠性。

Description

一种磁拟重力场环境静力触探物理模型试验装置和方法

技术领域

本发明涉及一种磁拟重力场环境静力触探物理模型试验装置和方法，适用于磁场环境下无黏性土、黏性土等多种岩土材料的静力触探试验。

背景技术

月球基地建设与矿产资源开发的基础与关键是充分掌握月壤的力学与工程特性。月球表面重力场仅为地球重力场的1/6，小重力环境下土体将变得更加松软、孔隙率增大、强度和承载能力也进一步减弱，这些必将给探测器完成月球表面探测带来巨大隐患和风险。基于磁拟重力场物理模型试验理论，利用电磁力场模拟重力场，通过开展静力触探模型试验实现了系统、准确揭示土体的力学与工程特性和重力场间的耦合环境效应。但是该试验需要在特定强度和形态的磁场环境中完成，常规的静力触探试验装置在磁场环境下发生磁化后形成的附加磁场会对试验区域磁场形成干扰，同时磁场对压力计等力敏传感器测量元件的正常、稳定工作也存在较大影响。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种方便快捷、精度可靠、可在各种强度磁拟重力场环境的静力触探物理模型试验装置和方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种磁拟重力场环境静力触探物理模型试验装置，包括模型箱、模型探头和加载机构，模型箱为透明有机玻璃材质的柱状箱体，模型探头为下端收缩为尖锥的柱体结构；

所述加载机构包括加载架、三相异步电动机、联轴器、丝杠螺母机构、尼龙板和加载杆，加载架和模型箱作为固定参照，三相异步电动机、联轴器和丝杠螺母机构的螺母均安装在加载架台面上，加载架台面位置水平，三相异步电动机通过联轴器驱动丝杠螺母机构的丝杠转动，带动丝杠螺母机构的丝杆竖直移动，固定在丝杠底端的法兰盘下端与尼龙板上端固定连接，尼龙板下端与加载杆上端通过压力计连接，加载杆下端与模型探头上端固定连接，丝杠、法兰盘、尼龙板、压力计、加载杆和模型探头的中轴线在同一条竖直线上；通过位移计检测尼龙板下端相对加载架台面的竖直移动距离，通过压力计检测加载杆传导给尼龙板下端的压力；加载杆的长度大于0.5m(比如0.5～0.8m)，三相异步电动机距离模型探头尖锥的距离始终大于1m，压力计和位移计距离模型探头尖锥的距离始终大于0.5m；

所述模型箱用于装载试样，设置在产生磁拟重力场的线圈内；模型探头竖直贯入试样，通过压力计和位移计测量贯入过程中模型探头锥尖阻力和位移量；加载杆用于拉长磁拟重力场与压力计和位移计的距离，降低磁拟重力场对压力计和位移计的影响；加载杆同时用于拉长三相异步电动机与磁拟重力场的距离，降低三相异步电动机对磁拟重力场的影响。

本案的模型箱采用透明有机玻璃材质，一方面保证强度要求，另一方面可以方便观测试样的装填和变形情况；具体的，所述模型箱外壁标记有一组标记竖直高度的环向刻度线，最好是颜色明显且鲜艳的，方便查看刻度，比如红色；同时可以对环向刻度线进行数字化的高度标识，或通过设置刻度尺实现。

具体的，所述模型探头和加载杆为铝质，以避免磁场环境下发生磁化。

具体的，所述三相异步电动机输入电流端外接倒顺开关和变频器，通过倒顺开关控制三相异步电动机正反转；通过变频器控制三相异步电动机的转速。

具体的，还包括观察器和微型摄像机，观察器设计为简易潜望镜机构，观察器下端观测端口贴合试样表面放置，微型摄像机通过观察器上端观测口记录观测现象；在实际操作中，可以在加载架上安装补偿光源，方便观测。

具体的，所述模型箱的等效内径与模型探头的等效直径比大于20。

一种基于上述磁拟重力场环境静力触探物理模型试验装置的方法，包括如下步骤：

(1)计算并称量试样，采用分层装样的方法将试样装填至模型箱内，观测并记录各层试样的装填高度；

(2)将模型箱水平放置于试验区域的产生磁拟重力场的线圈内，启动试验系统形成磁拟重力场环境，待磁场稳定后，微调模型探头的空间位置，使其轴线竖直朝向模型箱的中心区域；

(3)启动三相异步电动机，调节变频器使模型探头竖直移动速率满足试验要求，同时通过观察器观测模型探头的运动情况，待其接触试样表面时暂停三相异步电动机，压力计和位移计调零；

(4)再次启动三相异步电动机，模型探头逐渐贯入试样内部，实时采集压力计和位移计的检测信号；当模型探头到达贯入深度时，停止三相异步电动机，结束实验。

有益效果：本发明提供的磁拟重力场环境静力触探物理模型试验装置和方法，相对于现有技术，具有如下优势：1、利用本发明装置可以开展不同重力场环境下黏性土、无黏性土等多种岩土材料静力触探模型试验，可模拟多种颗粒尺度、级配和加载速率条件；2、利用本发明装置可有效避免试验磁场环境对压力计等传感元件的影响，试验装置也充分考虑了对磁场的干扰效应，保证磁拟重力场的精度和试验结果的可靠性，通过开展不同重力环境下的静力触探模型试验，为充分研究土体的强度、变形和承载能力等力学与工程效应与重力场间的耦合效应提供试验支撑；3、本发明装置结构简单，安装方便，试验操作灵活，可调节加载杆长度，满足多种试样及试验条件。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图；

图2为模型箱的截面示意图；

图3为模型探头的结构示意图；

图4为法兰盘与尼龙板的连接示意图；

图中包括：模型箱1，刻度尺2，环向刻度线3，模型探头4，观察器5，微型摄像机6，补偿光源7，加载杆8，变频器9，倒顺开关10，电缆线11，三相异步电动机12，联轴器13，螺母14，丝杠15，法兰盘16，压力计17，位移计18，加载架19，尼龙板20，螺栓21，节点板22，配电箱23，试样24，圆锥头40，圆柱杆41，螺纹杆42。

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所示为一种磁拟重力场环境静力触探物理模型试验装置，包括模型箱1、模型探头4、加载机构、观察器5和微型摄像机6。

所述模型箱1为透明有机玻璃材质，整体为圆柱形筒状箱体；模型箱1外壁标记有一组标记竖直高度的红色环向刻度线3，同时在模型箱1外壁上粘贴一条刻度2，以方便直观地观测高度。本案中，考虑刚性边界约束效应和试验空间的限制，设计模型箱1的内径为86mm，高度为300mm，壁厚为2mm。

所述模型探头4为铝质，整体为下端收缩为尖锥的柱体结构。本案中，我们以原位测试中的标准探头为原型、采用4～5的缩比来设计设计模型探头4，设计模型探头如图3所示，分为圆锥头40、圆柱杆41和螺纹杆42三部分；同时，考虑刚性边界约束效应对试验产生的影响，要求模型箱1的等效内径与模型探头4的等效直径比应大于20。

所述加载机构包括加载架19、三相异步电动机12、联轴器13、丝杠螺母机构、尼龙板20和加载杆8，加载架19和模型箱1作为固定参照，三相异步电动机12、联轴器13和丝杠螺母机构的螺母14均安装在加载架19台面上，加载架19台面位置水平。

所述三相异步电动机12输入电流端外接倒顺开关10和变频器9，通过倒顺开关10控制三相异步电动机12正反转，通过变频器9控制三相异步电动机12的转速。三相异步电动机12通过联轴器13驱动丝杠螺母机构的螺母14转动，带动丝杠螺母机构的丝杆14竖直移动，固定在丝杠15底端的法兰盘16下端与尼龙板20上端通过四个螺栓21固定连接。为了确保扭矩传递的可靠性，须保证三相异步电动机12、联轴器13和螺母14的转轴在同一条水平线上。

所述尼龙板20下端与压力计17上端通过螺纹结构连接，压力计17与加载杆8上端也通过螺纹结构连接，加载杆8下端与模型探头4上端通过螺纹结构连接，为了确保周向载荷传递的有效性，丝杠15、法兰盘16、尼龙板20、压力计17、加载杆8和模型探头4的中轴线在同一条竖直线上。加载架19的节点板22位置固定一个L型支撑板，位移计18一端与L型支撑板连接，另一端与尼龙板20下端连接，保证位移计18竖直。

所述加载杆8为铝质，设计其长度为0.5～0.8m，确保三相异步电动机12距离模型探头4尖锥的距离始终大于1m，压力计17和位移计18距离模型探头4尖锥的距离始终大于0.5m。通过加载杆8拉长磁拟重力场与压力计17和位移计18的距离，以降低磁拟重力场对压力计17和位移计18的影响；同时通过加载杆8拉长三相异步电动机12与磁拟重力场的距离，以降低三相异步电动机12对磁拟重力场的影响。

所述模型箱1用于装载试样24，设置在产生磁拟重力场的线圈内；模型探头4竖直贯入试样24，通过压力计17和位移计18测量贯入过程中模型探头4锥尖阻力和位移量；

所述观察器5设计为潜望镜机构，观察器5下端观测端口贴合试样24表面放置，微型摄像机6通过观察器5上端观测口记录观测现象；在试验过程中，可以在加载架19上安装补偿光源7，以更为清晰地观测模型探头4的贯入情况。

基于上述磁拟重力场环境静力触探物理模型试验装置的方法，包括如下步骤：

(1)计算并称量试样24，采用分层装样的方法将试样24装填至模型箱1内，观测并记录各层试样的装填高度；

(2)将模型箱1水平放置于试验区域的产生磁拟重力场的线圈内，启动试验系统形成磁拟重力场环境，待磁场稳定后，微调模型探头4的空间位置，使其轴线竖直朝向模型箱1的中心区域；

(3)启动三相异步电动机12，调节变频器9使模型探头4竖直移动速率满足试验要求，同时通过观察器5观测模型探头4的运动情况，待其接触试样24表面时暂停三相异步电动机12，压力计17和位移计18调零；

(4)再次启动三相异步电动机12，模型探头4逐渐贯入试样24内部，实时采集压力计17和位移计18的检测信号；当模型探头4到达贯入深度时，停止三相异步电动机12，结束实验。

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 (7)

1.一种磁拟重力场环境静力触探物理模型试验装置，其特征在于：包括模型箱(1)、模型探头(4)和加载机构，模型箱(1)为透明有机玻璃材质的柱状箱体，模型探头(4)为下端收缩为尖锥的柱体结构；

所述加载机构包括加载架(19)、三相异步电动机(12)、联轴器(13)、丝杠螺母机构、尼龙板(20)和加载杆(8)，加载架(19)和模型箱(1)作为固定参照，三相异步电动机(12)、联轴器(13)和丝杠螺母机构的螺母(14)均安装在加载架(19)台面上，加载架(19)台面位置水平，三相异步电动机(12)通过联轴器(13)驱动丝杠螺母机构的螺母(14)转动，带动丝杠螺母机构的丝杆(15)竖直移动，固定在丝杠(15)底端的法兰盘(16)下端与尼龙板(20)上端固定连接，尼龙板(20)下端与加载杆(8)上端通过压力计(17)连接，加载杆(8)下端与模型探头(4)上端固定连接，丝杠(15)、法兰盘(16)、尼龙板(20)、压力计(17)、加载杆(8)和模型探头(4)的中轴线在同一条竖直线上；通过位移计(18)检测尼龙板(20)下端相对加载架(19)台面的竖直移动距离，通过压力计(17)检测加载杆(8)传导给尼龙板(20)下端的压力；加载杆(8)的长度大于0.5m，三相异步电动机(12)距离模型探头(4)尖锥的距离始终大于1m，压力计(17)和位移计(18)距离模型探头(4)尖锥的距离始终大于0.5m；

所述模型箱(1)用于装载试样(24)，设置在产生磁拟重力场的线圈内；模型探头(4)竖直贯入试样(24)，通过压力计(17)和位移计(18)测量贯入过程中模型探头(4)锥尖阻力和位移量。

2.根据权利要求1所述的磁拟重力场环境静力触探物理模型试验装置，其特征在于：所述模型箱(1)外壁标记有一组标记竖直高度的环向刻度线(3)。

3.根据权利要求1所述的磁拟重力场环境静力触探物理模型试验装置，其特征在于：所述模型探头(4)和加载杆(8)为铝质。

4.根据权利要求1所述的磁拟重力场环境静力触探物理模型试验装置，其特征在于：所述三相异步电动机(12)输入电流端外接倒顺开关(10)和变频器(9)，通过倒顺开关(10)控制三相异步电动机(12)正反转；通过变频器(9)控制三相异步电动机(12)的转速。

5.根据权利要求1所述的磁拟重力场环境静力触探物理模型试验装置，其特征在于：还包括观察器(5)和微型摄像机(6)，观察器(5)设计为潜望镜机构，观察器(5)下端观测端口贴合试样(24)表面放置，微型摄像机(6)通过观察器(5)上端观测口记录观测现象。

6.根据权利要求1所述的磁拟重力场环境静力触探物理模型试验装置，其特征在于：所述模型箱(1)的等效内径与模型探头(4)的等效直径比大于20。

7.基于权利要求1所述的磁拟重力场环境静力触探物理模型试验装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)计算并称量试样(24)，采用分层装样的方法将试样(24)装填至模型箱(1)内，观测并记录各层试样的装填高度；

(2)将模型箱(1)水平放置于试验区域的产生磁拟重力场的线圈内，启动试验系统形成磁拟重力场环境，待磁场稳定后，微调模型探头(4)的空间位置，使其轴线竖直朝向模型箱(1)的中心区域；

(3)启动三相异步电动机(12)，调节变频器(9)使模型探头(4)竖直移动速率满足试验要求，同时通过观察器(5)观测模型探头(4)的运动情况，待其接触试样(24)表面时暂停三相异步电动机(12)，压力计(17)和位移计(18)调零；

(4)再次启动三相异步电动机(12)，模型探头(4)逐渐贯入试样(24)内部，实时采集压力计(17)和位移计(18)的检测信号；当模型探头(4)到达贯入深度时，停止三相异步电动机(12)，结束实验。