[发明专利]开放式磁重力模型试验系统重力场模拟装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程领域的模型试验，特别是一种开放式磁重力模型试验系统重力场模拟装置及其方法。

背景技术

岩土工程领域的大量工程实践和研究证明，对于大型、特殊岩土工程问题，模型试验方法在基本满足相似原理的条件下，能够更真实地反应地质构造和工程结构的空间关系，更准确地模拟施工过程及其影响，试验结果能给人以更直观的感觉，使人更容易从全局上把握岩土工程整体特征、演化趋势和稳定性，从而做出更为准确的判断。

模型试验方法自发展至今，已成为国内外研究岩土工程问题的一种重要手段。20世纪五、六十年代物理模拟技术主要以平面应力相似模拟试验为主，进入70年代中后期及80年代以后，出现了平面应变相似模拟试验架、立体模拟试验架和平板模拟试验架等多种形式的相似模拟试验装置。然而，岩土工程中岩土体及结构的变形均为力作用的结果，而这种力的主要来源则是岩土体的自重应力，甚至在很多工程中重力成为唯一力源，而常规物理模型试验由于其自重应力水平低于原型，无法真实反映岩土体力学行为。因此，重力场的模拟一直是岩土工程模型试验的关键点和难点，从早期的采用飞机加速攀升模拟重力场，到现在广泛采用离心机模拟重力场，均无法实现与真实重力场完全相似的重力场，尤其是在深部地下工程学科领域，由于工程条件及地下结构的特殊性，目前很少进行离心模型试验，而是选用面力补偿的方式来近似等效重力场，其近似性目前还难以评判。

为了攻克有效模拟重力场这一难题，近几年陆续有学者提出了采用电磁力场模拟重力场的设想，并初步建立了基于电磁力场模拟重力场的岩土工程磁重力模型试验方法，该方法通过电磁力场模拟的重力场与真实重力场完全相似，具备静态的试验空间且试验成本远低于离心模型试验，因此将是岩土工程物理模型试验发展的重大突破。然而，磁重力模型试验装置的研发目前处于起步阶段，面临一系列基础难题难以攻破。一方面，现有磁重力模型试验装置仅能模拟0-3g的低强度重力场，基于常规电磁线圈、永磁体的磁重力模型试验装置无法突破模拟强重力场的技术壁垒。例如，三峡大学研发的磁重力模型试验装置(详见专利CN102213658)仅能模拟1.06g重力场，中国矿业大学研发的磁重力模型试验装置仅能模拟1.3g和3.0g重力场(详见专利CN102841129和CN103247208)，这种仅采用线圈的方式在模拟较强重力场时面临巨大的问题，随着线圈尺寸的增加，线圈的电阻和发热迅速增加，对供电和磁体降温带来了巨大的挑战。另外一方面，现有的基于常规电磁线圈的磁重力模型试验装置无法突破试验空间的限制，例如专利CN102213658和CN103247208中的试验装置的试验空间均为半开放式试验空间，对进行相关的物理模型试验及测量工作产生了极大的限制。此外，现有的模型试验装置在试验空间中产生的磁场形态均无法满足磁重力模型试验方法对磁场形态的要求，尤其是在径向磁场强度以及梯度上考虑不足，其产生的径向附加力给试验结果带了较大的误差。因此，高精度、高强度重力场的模拟以及开放式试验空间的营造是磁重力物理模型试验装置领域截至目前面临的技术难题和挑战。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种开放式磁重力模型试验系统重力场模拟装置及其方法，用于解决目前磁重力模型试验装置领域面临的模拟高精度、高强度重力场和营造开放式试验空间的技术难题。

技术方案：为实现以上技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

开放式磁重力模型试验系统重力场模拟装置，包括匀强磁场线圈组、梯度磁场线圈组、导磁铠铁、匀强磁场矫正环以及径向磁场矫正线圈组；

所述的匀强磁场线圈组由主线圈和补偿线圈组组成，所述补偿线圈组由A补偿线圈、B补偿线圈、C补偿线圈和D补偿线圈组成，所述主线圈、A补偿线圈、B补偿线圈、C补偿线圈和D补偿线圈均具有相同的内径；

所述主线圈、A补偿线圈、B补偿线圈、C补偿线圈和D补偿线圈均由单独的直流电源供电，通电时A补偿线圈和B补偿线圈与主线圈具有方向相同的电流场，C补偿线圈和D补偿线圈具有与主线圈方向相反的电流场；

所述梯度磁场线圈组由A梯度磁场线圈和B梯度磁场线圈组成，A梯度磁场线圈和B梯度磁场线圈具有相同内直径Dn、相同外直径Dw、相同高度H且两者同轴固定，且A梯度磁场线圈和B梯度磁场线圈之间存在间隙

所述的A梯度磁场线圈和B梯度磁场线圈均由单独的直流电源供电，通电时A梯度磁场线圈和B梯度磁场线圈具有大小相同、方向相反的电流场；