[发明专利]一种磁拟重力场环境静力触探物理模型试验装置和方法

说明书

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。