不同重力下月壤水平推剪阻力离散元数值分析

月面环境下重力场仅为地面环境下的1/6,研究重力场对于开挖阻力的影响,对优化设计月面环境下开挖设备具有重要意义。采用离散单元法模拟不同深度不同重力场下的月壤水平推剪试验(简化的土–开挖机械间相互作用模型),分析了重力场对开挖试验中推剪阻力、能量消耗和破坏面的影响,最后建立推剪阻力与重力场的关系。结果表明:相同推剪深度下,随重力场增大推剪阻力和能量消耗均增加,推剪前方受扰动土体范围减小;随推剪深度增加,推剪阻力增加。     

竖向荷载对月球车行驶性能影响的离散元分析

技术的发展使得月球车原材料强度更高、质量更轻,而复杂的探测任务要求月球车携带的探测设备越来越多。为了平衡月球车承受的荷重,防止月球车车轮因承受荷载不当导致在月面打滑、下陷以致不能正常行驶,有必要研究月面环境下竖向荷载对月球车行驶性能的影响。针对真实月壤内摩擦角较大、有粘聚力的特点,采用笔者提出的一种考虑粒间抗转动作用与粒间范德华力两个因素的月壤散粒体力学接触模型,模拟月面环境下三种竖向荷载P作用下月球车刚性驱动轮与月壤的相互作用问题。其中,当竖向荷载为400/6 N时,车轮打滑,因此,文中主要对竖向荷载为1 000/6 N和1 350/6 N两种情况进行对比分析。研究结果表明:月面环境下,滑转率随竖向荷载的增加呈下降趋势,月球车因为轮上荷载过小,导致滑转下陷过大而失去行走能力的风险更高。沉陷量也随竖向荷载的增加而减小,月面环境下荷载过小会使月壤的可通过性变差。月面环境下牵引效率随竖向荷载增大而升高但都保持在较低水平。     

磁性高钛模拟月壤IRSM-1的研制及其性质研究

对月球的探测已进入以月球原位资源利用（ISRU）为主的新阶段，系统掌握月壤特殊的力学响应与工程特性对月球资源开发利用具有重要意义。迄今为止，绝大多数针对月壤及模拟月壤性质的试验研究都是在地球上开展的，忽略了月面环境，尤其是低重力环境对这些性质的影响。地质力学磁力模型试验可以结合磁性相似材料模拟月面g/6的低重力环境。由于目前已有的模拟月壤磁性极弱，无法满足磁力模型试验的要求。因此，研制了一种具有一定磁性的高钛模拟月壤IRSM-1并测试了该模拟月壤的成分及性质。将测试结果与部分月壤及模拟月壤的性质进行了对比分析。结果表明：IRSM-1模拟月壤的化学矿物成分与高钛月壤相似，其物理力学特性在月壤的范围之内，较好地还原了真实月壤的基本特性。此外，IRSM-1还具有一定的磁性，可以作为磁力模型试验的相似材料。     

小重力环境下静力触探模型试验研究

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。目前由于缺少对小重力环境的真实模拟而难以系统、准确地揭示土的力学、工程等特性与重力场间的耦合环境效应。通过利用磁拟小重力模型试验系统开展了一系列小重力环境(1/6g、1/3g、2/3g、1g)下磁敏性无黏性土静力触探模型试验。试验结果表明:模型探头在贯入过程中锥尖阻力随深度的增加表现出明显的3个应力增长阶段,在同一贯入深度处,锥尖阻力随重力场的增大而增大;归一化锥尖阻力随深度的增加先增大后减小并最终趋于稳定,而随重力场的增大却逐渐减小;同时,归一化锥尖阻力的最大值和最终稳定值与重力场相似常数的倒数间存在较好的线性关系。     

低围压水平下QH-E模拟月壤三轴试验技术与力学特性

月球的低重力环境对月面浅层月壤力学特性的影响很大。利用清华大学取自吉林省靖宇县境内的火山灰岩研制出的模拟月壤(QH-E),对GCTS公司生产的STX型动/应力路径三轴仪重新配置高精度的传感器,并采取专门的试验技术,成功实施了一系列低围压水平(3.13~25 k Pa)的三轴压缩试验。试验结果表明,在低围压水平下:模拟月壤具有显著的剪胀效应;与常规围压水平(50~150 k Pa)结果相比,同一相对密度模拟月壤的峰值摩擦角更高;相对密度越高,峰值摩擦角越大;切线模量和剪切模量均随着围压和相对密度的减小而减小;剪胀角随围压的减小和相对密度的增大而增大,且低围压水平下剪胀角对围压变化十分敏感。最后就低围压下QH-E模拟月壤与饱和砂土特性的差异,及重力场环境和施加围压的介质的影响进行了讨论。     

基于月面原位资源的月球基地建造技术

月球基地建造对人类长期驻月具有重要意义.在调研了月球基地建造环境条件和资源条件的基础上认为充分利用月壤进行原位建造是现实可行的技术方案,具有方便经济、性能优越等优点.目前基于月壤的建造技术研究主要分为向下挖掘和向上搭建两类,其中向上搭建技术有不同技术途径,包括月壤混凝土、月壤烧结、月壤黏结、月壤袋约束等.基于对已有技术...     

月壤原位成型技术及其结构体系研究

月壤原位成型技术作为月球资源原位利用技术体系中的研究热点,是在月表制造建筑材料及实施月表基础设施建设的关键。基于国内外月壤原位成型技术发展现状,采用放电等离子烧结技术(SPS)实现了模拟月壤的成型,并通过准静态压缩试验研究其抗压强度和弹性模量。最后以石拱桥结构和榫卯结构的建造理念,进行了月球基地结构体系的设计,提出了构件连接方式,并通过有限元模拟分析了拱形结构对于建造月壤成型结构的适用性,提供月壤原位建造的可行路径。     

月壤临界尺度颗粒运移特性对钻采阻力影响研究

临界尺度颗粒是指平均直径大于或等于钻头取芯孔直径的月球土壤颗粒,其广泛分布于月球次表层土壤中。在钻进过程中受到钻削作用,一部分临界尺度颗粒被从孔底置出,并被嵌入钻孔壁产生孔壁置入现象,从而增大了切削负载功耗;另一部分跟随钻具回转无法被取芯孔采集,从而增加了钻进失败的风险。通过建立月壤临界尺度颗粒切削模型,考虑临界尺度颗粒粒径及其与切削刃相互作用位置,对切削阻力的影响进行敏感度分析,得到位置的变化对切削阻力影响最明显。提出法向重叠率的概念,用以研究位置变化对临界尺度颗粒运移特性及切削阻力的影响关系。将切削刃的回转运动等效为直线运动,采用离散元方法验证法向重叠率对切削阻力的影响,得到法向重叠率与临界尺度颗粒孔底置出和孔壁置入现象之间的关系,以及对应的切削阻力时域变化曲线的特征。通过临界尺度颗粒运移特性模拟试验,得到法向重叠率与切削阻力呈同方向的线性关系,当临界尺度颗粒分别产生孔底置出和孔壁置入现象时,对应的切削阻力时域曲线特征分别为连续峰值和仅有一个峰值点。研究可为月球采样任务中的钻进工况参数识别提供理论依据。     

黏土片与球状颗粒间范德华作用的简便计算方法

黏粒(黏土片)与非塑性粉粒间相互作用是控制粉质黏土/黏质粉土这一大类土体力学特性的关键因素之一,范德华力是两种颗粒间最主要的相互作用形式,也是饱和土真黏聚力的来源。然而,在土体宏微观关联理论分析、离散元模拟等研究中尚难以得到该力的解析解。为此,提出一种简便计算方法,其基本思想是将粉粒视为球体,将黏土片视为由规则排列的基本立方体构成,将问题转变为可实现的基本立方体与球状颗粒间的范德华作用求解。首先采用蒙特卡罗模拟,计算得到不同空间排列方式下基本立方体与球状颗粒间范德华作用力;随后,训练一个三层人工神经网络模型用于高精度拟合范德华力与两种颗粒空间关系参数的函数关系;最后采用叠加法即可简便求得黏土片与球状颗粒间范德华作用的合力与合力矩。结果表明,提出的简便计算方法准确性高、计算速度快,且拟合的模型参数适用于黏土片与土体中大于1μm的球状颗粒间范德华作用计算。     

基坑开挖过程中TJ-1模拟月壤变形特性的试验研究

采用空心圆柱扭剪仪对TJ-1模拟月壤试样进行基坑开挖应力路径的试验模拟,以研究地球重力场环境下TJ-1模拟月壤在地基开挖过程中的变形及非共轴特性。试验结果表明：应力路径对TJ-1模拟月壤的变形影响显著;开挖过程中坑底及连续墙外侧模拟月壤因变形过大而破坏,坑底位置土体受连续墙挤压的影响发生明显的剪缩现象;连续墙内外土体明显的非共轴现象是开挖所致偏应力、应力主轴转幅及旋转速率耦合作用的结果,且上述因素在不同位置影响程度也不相同,坑底位置以应力主轴的转幅及旋转速率的影响为主,基坑外侧则是偏应力比、转幅及旋转速率共同作用的结果。     

再生剂与老化沥青微观作用机理

采用分子动力学模拟方法,根据老化沥青体系溶解度参数变化规律,研究了再生剂组分对老化沥青相容性的影响;通过体系的相互作用能分析,探讨了再生剂组分对老化沥青再生的作用机理。结果表明,芳香分有助于改善老化沥青的相容性,且芳香分掺量越大改善效果越好;饱和分则刚好相反,这与实验结论相一致。芳香分与老化沥青相互作用能随掺量增大而急剧增大,意味着两者相互吸引作用显著增强,其原因在于静电相互作用能占据主导地位,范德华相互作用能相对较小;然而饱和分与老化沥青的相互作用能随掺量变化不大,其中静电相互作用能和范德华相互作用能几乎各占一半贡献。分子间的静电相互作用能是影响老化沥青再生的主要因素。     

Bearing Capacity of Shallow Foundations in a Low Gravity Environment

As a basic study for future lunar/planetary explorations and the in-situ resource utilization missions, bearing capacity characteristics of shallow footing systems in a low gravity environment were investigated. A series of model loading tests on a simulated lunar soil (lunar soil simulant) and Toyoura sand were conducted on an aircraft that flew in parabolic paths to generate partial gravity fields. As a result of the model tests, it became clear that bearing characteristics, including the coefficient of subgrade reaction and ultimate bearing capacity of the lunar soil simulant in a low gravity environment is hardly influenced by the gravity levels, while Toyoura sand exhibits a high dependence on gravity. From the observation of the failure mechanisms, it was found that the gravity dependence seems to correlate well with soil compressibility. To rationally explain the dependence of ultimate bearing capacity on gravity, theoretical evaluations were attempted in the framework of the upper bound method. The proposed calculation method not only makes it possible to correlate quantitatively the failure mode with dependence on gravity, but also may allow us to predict the ultimate bearing capacity in the lunar surface environment.     

软土基坑开挖引起地下连续墙水平变形的能量法

针对软土基坑开挖引起的地下连续墙水平变形计算问题,为克服以往解析方法的不足,提出了能量计算法。通过分析其典型变形模式,提出了适用于5种约束条件下的水平变形统一数学表达式;考虑地下连续墙非极限状态土压力,根据3种滑动面模型推导出相应的侧土压力表达式,进而建立整个围护系统总势能,利用最小势能原理,推导了地下连续墙水平变形的解析解。分别计算3种滑动面模型下的水平变形,并与基坑实测数据进行了对比验证,分析了各滑动面模型应用于地下连续墙水平变形计算的合理性。研究表明:对于内凸及复合式、悬臂式、踢脚式变形模式中,分别采用直线及对数螺线组合型、圆弧型、直线型滑动面较为合理,而三者对应的约束条件分别为两端固定、顶端自由底端固定、顶端固定底端平动。     

超深基坑复合土钉支护结构原位试验研究

通过对深圳假日广场超深基坑预应力锚索复合土钉支护结构进行全方位的原位测试试验,收集了关于土钉拉力、锚索应力、孔隙水压力、面层土压力的大量数据,旨在研究钉—锚—土三者的工作性状、相互作用机理,以及随基坑开挖、锚索张拉、降雨、卸载等外界环境变化对支护结构的响应规律。试验结果表明预应力锚索复合土钉支护结构具有开挖效应、时间效应、空间效应、降雨滞后效应;指出土钉拉力并非随基坑开挖深度递增,潜在滑移面并非通过基坑坡脚;揭示了预应力锚索的主要作用不在于分担或改善支护结构受力状态,而在于提高边坡抗滑移稳定性和减小边坡位移,并就设计和施工提出了一些合理建议和应注意的问题。     

基坑开挖对地下管线工作性状影响的数值分析

为研究基坑开挖对于地下管线工作性状的影响,进而为管道安全评估与防护提供参考依据,利用Plaxis 3D Tunnel 建立基坑开挖中的土体与地下管线相互作用的有限元模拟模型。对土体采用Hardening-Soil 模型,对管线及基坑支护结构与土之间均采用接触面单元,对不同管道数量和位置以及施工步骤、基坑尺寸对地下管线水平位移、竖向位移和内力的影响进行了大量的参数分析。结果表明在基坑支护结构、管线与土体相互作用下,墙背管线位移随基坑尺寸增大而增大,但其分布形态不变;管道距离地下连续墙越近,管道的位移则越大,而地面位移越小;管道数量越多,管道位移与墙背土体位移均越小;管线内力与变形与基坑开挖特性参数之间的关系是非线性的。     

粉质黏土深基坑土钉墙支护作用机理模型试验研究

以相似理论为基础,确定模型试验的相似比,然后按照相似比的要求选定相似材料,建立试验所需的土钉墙物理模型。设计合理的测试系统、加载系统模拟基坑开挖、土钉墙支护及降雨过程。测试整个试验过程中的土钉墙的墙顶水平位移、土钉内力、土压力等。试验结果表明,基坑开挖引起土体应力重新分布是影响土钉墙墙顶水平位移变化的主要因素,且每步开挖均都会引起墙顶水平位移呈台阶式增大,在土钉墙的施工阶段墙顶最终水平位移达基坑开挖深度的2.3‰;在墙顶的均布荷载不是很大的情况下,墙顶水平位移会随荷载的增大近似呈线性增大,且降雨是引起粉质黏土基坑位移的重要因素;基坑开挖过程中,墙侧土压力呈现先增大后减小再逐渐增加的变化规律;随基坑开挖深度增加,土钉受力逐渐由尾部向内部发展。     

复合土钉支护转角有利影响范围

基坑复合土钉墙转角处有明显的空间效应,受力变形较小,对支护结构有利,但不清楚转角定量的有利影响范围,目前设计中仍按照与基坑中部一样保守设计,为在此范围内降低土钉用量,避免保守设计,对水泥土搅拌桩复合土钉支护结构建立了全尺寸整体三维有限元模型,这种模型包含基坑的转角,能考虑基坑的空间效应,通过建立接触面单元,能考虑土体和搅拌桩、土体和土钉的相互作用,量化分析了基坑转角对支护结构受力和变形的有利影响范围,计算结果表明,基坑转角对开挖面水平位移、地表沉降、坑底隆起、土钉轴力的有利影响范围分别约为1.3、1、1、1.2倍的开挖深度。经与实际工程现场实测值对比,验证了该模型分析结果的可靠性,同时分析结果优于平面二维和局部三维有限元模型,结论为复合土钉支护结构的优化设计和安全施工提供了理论依据和研究方法。     

天津某深基坑工程施工监测及数值模拟分析

介绍了天津铜锣湾广场深基坑工程开挖实例。通过对深基坑开挖过程中的支护结构内力、坑周土体水平位移等的现场监测和数值模拟分析,讨论了基坑开挖过程中支护结构受力的特点及其对周围环境的影响,得到基坑周边土体水平位移的变化规律,为考虑施工因素的深基坑开挖及支护结构设计提供了依据。分析表明:土方开挖对基坑周围土体的影响范围约为两倍的开挖深度;开挖过程中土体及围护桩最大位移位置基本上都处于基坑开挖面附近;在基坑施工过程中,应该尽量减小无支撑暴露的时间,加快底板浇注,防止因土体流变而产生过大的位移;对于环梁支撑体系,如果支撑布置不规则,会造成受力不均,容易产生较大的弯矩值,会对环梁支护结构产生不利影响。