专利名称：一种地质力学磁场试验装置及试验方法
技术领域：
本发明涉及一种地质力学磁场试验装置及试验方法，属于地质力学领域。
背景技术：
模型试验一直是岩土工程中一种重要研究手段，它既可以用来检验各种理论分析和数值计算的结果，也可用来直接指导实际工程的设计和施工。现有的模型试验分为两大类一类是Ig下的模型试验，在通常的重力场中，在一定边界条件下对土工建筑物或地基进行模拟，测量有关应力应变数据，通过一定的理论计算或数据计算来检验理论计算结果。这种试验又分为小比尺试验和足尺试验。小比尺试验由于存在着应力水平较低，强度指标很难满足相似等问题，所以常重力场下的小比尺试验一般意义不大；足尺试验的可信度很高，相关资料有很高的价值，但造价昂贵。在软土弹塑性模型以及考虑水介质作用的渗透模型研究中进行常规模型试验存在很大的困难。因为在普通重力场内，模型试验规模是有限的，模型中各点的应力水平仍然比原型低得多，土体的许多应力应变关系特别是非线性关系在模型中不能得到真实体现，试验成果主要依赖于模型相似材料的相似性以及数据采集的可靠性。另一类则是ng的模型试验，所谓的ng的模型试验就是将土工建筑物或地基与基础尺寸缩小到1/n，同时重力加速度增大到ng。在ng的试验中目前有土工离心机试验和渗水力模型试验两种，离心机试验已经得到了广泛地应用，渗水力模型试验也在一些特定问题的研究中得到应用，这两种方法都是利用其他类型的体积力形成人工力场来模拟重力的。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，这种特点使离心模型和常规模型试验之间产生了本质的区别。目前可以达到400g的水平，可以实现经适当处理的原型土体或者是用模型相似材料进行试验研究。因为在离心模型试验中可以获得ng的模拟重力场，对试验模型材料的力学性能要求比常规模型试验降低了 η倍，从而在降低试验难度和提高试验结果可靠性方面获得了质的飞跃。但是土工离心模型试验也存在很多缺陷，首先离心惯性力场和重力场并不能完全相似，离心惯性力场与惯性半径成正比， 模型上各点的加速度不同，大小和方向都在发生变化，致使土工离心模型试验不能获得均勻的力场，这与工程实际存在较大差异；其次加料过程中产生的科氏加速度也会引起离心模型误差；最后加速和制动问题也是离心模型试验的一个问题之一。旋转速度的提升和降低直至停止都需要一定的时间，这样所造成的力场的变化与工程实际也是不相符的，对试验结果的可靠性造成了很大的影响。渗水力模型试验的原理是利用重力场和渗透力场的叠加来模拟重力场，利用水流渗透所产生的拖曳力来增加土体的容重，并取得了一定的成果，但这种方法有严重的局限性，它研究的对象必须是饱和体，而且渗透系数必须达到一定程度，自由边界必须是平面寸。
发明内容
本发明提供一种地质力学磁场试验装置及试验方法，利用外力场模拟重力场的原理和磁力场与重力场的相似性，通过在岩土体中掺入粉体磁性材料使其在磁场中受到磁力作用叠加到原重力上，从而达到模拟ng (ng为η倍的重力加速度，η大于0)重力场的效果，使模型试验材料的应力水平得以提高。如果考虑交变电磁场，还可以获得ng的模拟重力场，使得在实验室模拟地震等动力荷载变得更为简单方便。一种地质力学磁场试验装置，包括控制电源和与控制电源连接的主机，所述主机包括柜体，柜体内壁设有屏蔽层，柜体底座上设有支座，支座连有骨架，骨架上设有线圈绕组，所述骨架外侧设有绝缘层，柜体底座下方还设有冷却风机。所述线圈绕组的线圈线匝在径向、轴向均为均勻缠绕。所述柜体的上方为双开式柜门。一种地质力学磁场试验方法，包括以下步骤
1)、控制电源的电源输入端口接220V电源，控制电源接主机；
2)、梯度磁场试验区位于梯度磁场试验装置的线圈绕组中部，梯度磁场试验装置提供在垂直方向具有线性梯度，水平面另外两个方向基本为勻强特性的磁场。3)、试验材料放入主机的梯度磁场试验区；
4 )、开启控制电源，待电源指示灯显示正常后，冷却风机启动； 5)、调节调节手柄向线圈绕组供电，根据试验需要读取电流计、电压计显示的数值，将电流调节至设定值后，进行试验。6)、试验完成后，调节调节手柄将电流调节至零，待冷却风机冷却主机后，关闭控制电源。所述控制电源采用工频全波整流方式的可调直流电源。所述梯度磁场区的线圈绕组由轴对称线圈通过用导线一匝紧挨一匝地绕制而成的，线圈线匝在径向、轴向均为均勻缠绕，电流沿截面均勻分布，且电流密度方向和对称轴的正向构成右手螺旋关系。所述磁场强度可按试验需要通过调节手柄改变电流强度来调节。所述梯度磁场试验装置通过冷轧硅钢带屏蔽层及铁制柜体，对试验磁场进行磁屏蔽防护。所述柜体上方为双开式柜门，试验过程关闭柜门，形成外磁屏蔽。本发明一种地质力学磁场试验装置及试验方法，有益效果如下
1、应用范围广，改变相应的磁场特性则可以改变试验材料的受力大小，可以模拟浅层或深层的地基问题。2、均勻性好，磁力模型试验的模拟力场是均勻力场，试验材料各部分是均勻受力的，其模拟的系统误差将较其它ng模型试验进一步减小。3、由于地质力学磁力模型试验是处于开敞空间中，且试验装置是静止的，可以弥补土工离心机模型试验和渗水力模型试验无法很好解决的动态模拟问题。4、本发明基于利用电磁力模拟重力、电磁力场模拟重力场的原理实现模拟地质力学现实物理、力学性状。通过在岩土体中掺入粉体磁性材料使其在磁场中受到磁力作用叠加到原重力上，从而达到模拟ng重力场的效果，使模型试验材料的应力水平得以提高，为地质力学磁力模型试验提供基础设备。
图1为本发明磁场试验装置构造图； 图2为本发明主机构造图中1、电源输入端口，2、熔断器，3、电源开关，4、指示灯，5、风机电源输出端口，6、磁场电源输出端口，7、电流计，8、电压计，9、调节手柄，10、柜机，11、冷却风机，12、支座，13、绝缘层，14、线圈绕组，15、骨架，16、屏蔽层。
具体实施例方式本发明一种地质力学磁场试验装置，包括控制电源17和与控制电源17连接的主机18，所述主机18包括柜体10，柜体10内壁设有屏蔽层16，柜体10底座上设有支座12， 支座12连有骨架15，骨架15上设有线圈绕组14，所述骨架15外侧设有绝缘层13。柜体10底座下方还设有冷却风机12。所述线圈绕组14的线圈线匝在径向、轴向均为均勻缠绕。所述柜体10的上方为双开式柜门。一种地质力学磁场试验方法，包括以下步骤
1)、控制电源17的电源输入端口1接220V电源，控制电源17接主机18 ；
2)、梯度磁场试验区位于梯度磁场试验装置的线圈绕组14中部，梯度磁场试验装置提供在垂直方向具有线性梯度，水平面另外两个方向基本为勻强特性的磁场。3)、试验材料放入主机18的梯度磁场试验区；
4)、开启控制电源17，待电源指示灯4显示正常后，冷却风机12启动；
5)、调节调节手柄19向线圈绕组14供电，根据试验需要读取电流计7、电压计8显示的数值，将电流调节至设定值后，进行试验。6)、试验完成后，调节调节手柄19将电流调节至零，待冷却风机12冷却主机18 后，关闭控制电源17。所述控制电源17采用工频全波整流方式的可调直流电源。所述梯度磁场区的线圈绕组14由轴对称线圈通过用导线一匝紧挨一匝地绕制而成的，线圈线匝在径向、轴向均为均勻缠绕，电流沿截面均勻分布，且电流密度方向和对称轴的正向构成右手螺旋关系。所述磁场强度可按试验需要通过调节手柄9改变电流强度来调节。所述梯度磁场试验装置通过冷轧硅钢带屏蔽层16及铁制柜体10，对试验磁场进行磁屏蔽防护。所述柜体10上方为双开式柜门，试验过程关闭柜门，形成外磁屏蔽。如图1所示，本发明由控制电源17和试验主机18组成。控制电源17部分主要包括交流220V电源输入端1、熔断器2、电源开关3、电源指示灯4、风机电源输出端5、磁场电源输出端6、电流计7、电压计8、磁场强度调节手柄9。试验主机18部分主要包括柜体10、 冷却风机11、尼龙支座12、绝缘层13、线圈绕组14、玻璃钢骨架15、冷轧硅钢板形成的屏蔽层16。如图2所示，本发明中的梯度磁场试验装置磁场生产方式为单线圈圆台型式，下底半径为5cm，上底半径为35cm，高为30cm。梯度磁场试验装置的线圈绕组14由轴对称线圈通过用导线一匝紧挨一匝地绕制而成的，线圈线匝在径向、轴向均为均勻缠绕，电流沿截面均勻分布，且电流密度方向和对称轴的正向构成右手螺旋关系。线圈骨架和试验平台均采用玻璃钢材料，具有足够的机械强度。梯度磁场试验装置采用工频全波整流方式的可调直流电源供电。因为试验装置要求电源提供的直流工作电压较高，功率较大，常规条件下， 采用工频全波整流方式的可调直流电源，相对开关型直流电源，在降低对环境的电磁污染和工作可靠性方面有利。梯度磁场发生器置于柜机10内屏蔽罩底部中心，梯度磁场试验区在线圈绕组14 中部。梯度磁场试验装置提供在垂直方向具有线性梯度，水平面另外两个方向基本为勻强特性的磁场。磁场强度可按试验需要通过调节磁场强度调节手柄9改变电流强度调节磁场强度。梯度磁场试验装置对电流热效应引起的线圈绕组14温升，通过强制风冷方式散热。柜体10底部四个冷却风机11通过屏蔽层16底部筛孔风窗和柜体10四面筛状开孔形成冷却风路。梯度磁场试验装置根据温升对线圈绝缘强度及电磁力作用可能产生的影响，采取了多项相应的防护措施。梯度磁场试验装置通过冷轧硅钢带屏蔽层16及铁制柜体10，对试验磁场进行磁屏蔽防护。柜体10上方为双开柜门，试验过程关闭柜门，形成外磁屏蔽。实施步骤
先将控制电源17的交流220V电源输入端口 1与实验室电路连接，为整个装置提供电力。分别用电线将磁场电源输出端6与输入端、风机电源输出端5和输入端连接，为试验主机18的线圈绕组14和冷却风机11提供电力，把试验材料放入梯度磁场试验区，打开电源开关，待电源指示灯4显示正常后，冷却风机11启动，调节磁场强度调节手柄9向线圈绕组 14供电，通过调节输入试验主机18的线圈绕组14的电流大小来改变其生成磁场的强弱，根据试验需要读取电流计7、电压计8显示的数值，将电流调节至设定值后，进行试验。试验完成后，调节磁场强度调节手柄9将电流调节至零，待冷却风机11冷却试验主机18的线圈绕组14后，关闭电源开关。
权利要求
1.一种地质力学磁场试验装置，包括控制电源(17)和与控制电源(17)连接的主机 (18)，其特征在于所述主机(18)包括柜体(10)，柜体(10)内壁设有屏蔽层(16)，柜体 (10)底座上设有支座(12)，支座(12)连有骨架(15)，骨架(15)上设有线圈绕组(14)，所述骨架(15)外侧设有绝缘层(13)。
2.根据权利要求1所述的一种地质力学磁场试验装置，其特征在于柜体(10)底座下方还设有冷却风机(12)。
3.根据权利要求1所述的一种地质力学磁场试验装置，其特征在于线圈绕组(14)的线圈线匝在径向、轴向均为均勻缠绕。
4.根据权利要求1或2所述的一种地质力学磁场试验装置，其特征在于柜体(10)的上方为双开式柜门。
5.一种地质力学磁场试验方法，其特征在于包括以下步骤1)、控制电源(17)的电源输入端口(1)接220V电源，控制电源(17)接主机(18)；2)、梯度磁场试验区位于梯度磁场试验装置的线圈绕组(14)中部，梯度磁场试验装置提供在垂直方向具有线性梯度，水平面另外两个方向基本为勻强特性的磁场；3)、试验材料放入主机(18)的梯度磁场试验区；4)、开启控制电源(17)，待电源指示灯(4)显示正常后，冷却风机(12)启动；5)、调节调节手柄(19)向线圈绕组(14)供电，根据试验需要读取电流计(7)、电压计 (8)显示的数值，将电流调节至设定值后，进行试验；6)、试验完成后，调节调节手柄(19)将电流调节至零，待冷却风机(12)冷却主机(18) 后，关闭控制电源(17)。
6.根据权利要求5所述一种地质力学磁场试验方法，其特征在于控制电源(17)采用工频全波整流方式的可调直流电源。
7.根据权利要求5所述一种地质力学磁场试验方法，其特征在于梯度磁场区的线圈绕组(14)由轴对称线圈通过用导线一匝紧挨一匝地绕制而成的，线圈线匝在径向、轴向均为均勻缠绕，电流沿截面均勻分布，且电流密度方向和对称轴的正向构成右手螺旋关系。
8.根据权利要求5所述一种地质力学磁场试验方法，其特征在于磁场强度按试验需要通过调节手柄(9)改变电流强度来调节。
9.根据权利要求5所述一种地质力学磁场试验方法，其特征在于梯度磁场试验装置通过冷轧硅钢带屏蔽层(16)及铁制柜体(10)，对试验磁场进行磁屏蔽防护。
10.根据权利要求5所述一种地质力学磁场试验方法，其特征在于柜体(10)上方为双开式柜门，试验过程关闭柜门，形成外磁屏蔽。
全文摘要
一种地质力学磁场试验装置及试验方法，包括控制电源和与控制电源连接的主机，所述主机包括柜体，柜体内壁设有屏蔽层，柜体底座上设有支座，支座连有骨架，骨架上设有线圈绕组，所述骨架外侧设有绝缘层，柜体底座下方还设有冷却风机。本发明基于利用电磁力模拟重力、电磁力场模拟重力场的原理实现模拟地质力学现实物理、力学性状。通过在岩土体中掺入粉体磁性材料使其在磁场中受到磁力作用叠加到原重力上，从而达到模拟ng重力场的效果，使模型试验材料的应力水平得以提高，为地质力学磁力模型试验提供基础设备。
文档编号G01N3/00GK102213658SQ20111006622
公开日2011年10月12日 申请日期2011年3月18日 优先权日2011年3月18日
发明者张振华, 罗先启 申请人:三峡大学