本发明专利技术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。本发明专利技术基于场相似的原理，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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种，属于岩土工程模型技术。
技术介绍
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I倍的重力场(Ig)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。
技术实现思路
专利技术目的:为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种，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，本专利技术采用的技术方案为: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,均勻场线圈、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，SP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:(I)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勻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勻磁场大小，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。—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:本专利技术提供的，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为本专利技术的正视结构示意图；图2为本专利技术的俯视结构示意图；图3为本专利技术的侧视结构示意图；图4为本发本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：周国庆，陈国舟，李瑞林，姜雄，赵晓东，李亭，张嘉睿，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：
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