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。     

持续浸泡下硬黏土强度劣化试验研究

引江济淮工程岸坡广泛分布的硬黏土，经历河水持续浸泡后，会对岸坡稳定造成重大影响。为了探究硬黏土在持续浸泡下的强度劣化机制，以引江济淮合肥段岸坡硬黏土为研究对象，设计持续浸泡试验，结合三轴压缩试验、矿物成分分析试验、微观结构试验和浸泡液离子含量试验，研究持续浸泡下硬黏土的强度劣化机制。结果表明：持续浸泡下硬黏土强度会发生劣化，30 d内劣化明显，30 d后劣化减弱且趋于平缓；硬黏土中的方解石质量分数随浸泡时长的增加，呈指数降低趋势，浸泡液中Ca²⁺质量体积分数呈对数增加趋势；随浸泡时长的增加，试样表面微孔隙数量增多，尺寸增大，30 d内增加速度较快，30 d后增加速度减缓趋于平稳。硬黏土持续浸泡后强度劣化是由亲水性黏土矿物吸水膨胀和土体内部充当“骨架”的方解石发生溶蚀共同导致的。     

干湿循环作用下老黏土抗剪强度劣化试验研究

为了探究干湿循环作用下老黏土抗剪强度的劣化机制,以引江济淮工程江淮沟通段广泛分布的老黏土为研究对象,开展了0～12次干湿循环试验并记录其开裂过程,利用数字图像处理软件半定量分析老黏土试样表面二维可视裂隙率变化;而后系统开展三轴压缩试验、SEM测试试验,从微细观结构角度揭示了干湿循环作用下老黏土抗剪强度的劣化机制。结果显示：试样的黏聚力在前4次干湿循环内显著下降,随后趋于稳定,而内摩擦角则呈现无规律波动趋势;干湿循环过程中试样表面的裂隙从四周向中间发展,裂隙的数量及宽度逐渐增加;干湿循环作用会使得试样表面的孔隙数量逐渐增加,结构从致密变得松散。结果表明,干湿循环作用下老黏土宏观强度的下降是其内部黏土矿物水化作用的结果,黏土矿物周期性胀缩产生的不均匀应力会反复作用于土体的微细观结构,造成试样内部的裂隙不断扩展和贯通,是试样黏聚力下降的根本原因。     

净砂与胶结砂土Trapdoor试验离散元数值模拟

Trapdoor试验是一种广泛应用于隧道工程中的研究方法,可以对隧道开挖等引起的结构上应力分布变化进行分析。利用净砂与胶结砂土Trapdoor试验离散元模拟研究土体破坏形态、自由门上土压力分布、颗粒位移以及颗粒转动情况。结果表明:净砂和胶结砂土破坏形态相似,从自由门中心向两侧可以划分为破坏区、剪切带以及影响区域;破坏区内颗粒位移较大,剪切带内颗粒转动明显;与净砂相比,胶结砂土破坏土体表面形成裂缝,由于胶结的存在使得剪切带较窄,土体破坏范围和自由门上土压力都较小。     

不同坡角下月壤滑坡机理的离散元分析

月球表面存在不少的高陡边坡,其坡度一般都大于30°,月海区可达48.9°,月陆区甚至可达55.7°,这些高陡的边坡会严重影响未来月球资源开采等活动的安全。通过引入考虑范德华力和抗转动作用的月壤微观接触模型,采用离散单元法模拟了不同坡角下的月壤滑坡试验,对滑坡过程、滑坡机理及常见的工程灾害指标进行分析。结果表明:坡后体积一定,流滑距离会随着初始坡角的增大而增大;最终倾角几乎不受初始坡角的影响;滑坡过程中,当切坡倾角低于60°时,滑坡过程呈现流动状态,高于60°时,滑坡过程呈现类崩塌状态;滑体的最大速度随初始坡角的增大呈现抛物线式增长。     

基于有限体积法的三维CFD-DEM耦合方法

本文基于有限单元法对流体控制方程进行离散,并与离散单元法进行三维流固耦合计算。首先,针对多孔介质土体选取合适的控制方程,包括流体运动方程、颗粒运动方程及流固相互作用方程。然后将编译的计算流体力学程序引入离散单元法中进行耦合计算。最后,针对单颗粒沉降进行了数值模拟,结果表明:颗粒在刚开始下落时,速度增加较快,然后增加速率逐渐变缓并趋于稳定;随着颗粒的不断下降,其所受拖拽力随着时间先迅速增加,然后逐渐与浮重力一致;颗粒下降速度稳定后,水压(扣除静水压力)在颗粒附近呈蝶翼状分布,且颗粒上方为负压,下方为正压;颗粒下方水流向两侧外流,而上方水流向颗粒上方汇聚。以上研究结果表明此次编译的计算流体力学程序能够很好地和离散单元法进行耦合,并可用于研究多孔介质流固耦合问题。     

月壤水平推剪试验的离散元数值分析

在未来的探月计划中,将进行月球基地的建设和月球资源的开发等活动,这些活动均涉及月壤开挖/开采问题,因此有必要研究月壤与设备间的相互作用。将月壤-设备相互作用简化为平板水平推剪过程,采用离散单元法模拟这一过程。考虑到月壤的颗粒形态及月球表面特殊的环境,将粒间抗转动作用和范德华力引入月壤微观接触模型,通过双轴压缩试验得到数值试样的强度指标。分别考虑月面环境、不考虑范德华力的月面环境、地面环境,对比分析了重力场和范德华力对水平推剪阻力、破坏面和能量消耗的影响。结果表明:随重力场增大,水平推剪阻力和能量消耗增加但不与重力场成正比,破坏面由圆弧面变为平直面;范德华力对水平推剪阻力和能量消耗影响很小,但使破坏面延伸范围更大。     

灌注桩桩—土界面粗糙度及强度理论研究

文章开发了可模拟实际灌注桩成型过程的混凝土浆液-土固化成型装置，开展不同灌注桩深度处混凝土浆液-土固化成型试验，探究浆液自重应力对灌注桩表面粗糙度的影响规律，进而提出考虑粗糙度特征的桩—土界面强度理论。结果表明：随着混凝土浆液自重应力增加，混凝土浆液对桩周土体的挤压、劈裂作用更为显著，使得桩—土界面粗糙度随深度增加而近似线性增长的规律；而后引入界面剪切系数i来表征桩—土界面粗糙度对界面间发生桩—土相对滑移破坏或土自身剪切破坏的影响，与已有试验结果对比表明，考虑粗糙度的强度理论可以较好地预测不同粗糙度下桩—土界面极限强度；最后探讨了理想粗糙面情况下界面剪切系数i与剖面长度比、凹槽形状的数学关系。     

高内摩擦角土体承载力特性形状效应分析

通过引入考虑抗扭转和弯转的微观接触模型来模拟高内摩擦角的土体材料（如月壤、碎石），并以应力加载法进行正方形、圆形和条形基础的静载荷试验三维离散元模拟，分析不同基础形状对地基承载力、基底应力分布和地基破坏模式等影响规律，并将模拟结果与已有经验公式对比验证。结果表明:条形基础下的地基承载力和基底反力系数最大，圆形基础下最小；条形基础下地基呈现整体剪切破坏模式，而方形和圆形基础下地基呈现局部剪切破坏模式；基底应力由内而外呈现抛物线－马鞍－倒抛物线形变化，与刚性基础 －土体相互作用理论一致；基于沉降控制法确定的圆形和方形基础形状系数分别为0．67和 0．76，与太沙基理论解和 Ｄｅｂｅｅｒ公式相近（均小于 1），与 Ｍｅｙｅｒｈｏｆ公式和 Ｌｙａｍｉｎ等公式相反（均大于 1）。模拟结果可为高内摩擦角土体的形状系数修正提供参考。     

火星探测器着陆试验场地研造

火星距地球遥远，通信延迟约为20min，且表面地形复杂，遍布岩石及斜坡等障碍物，探测器着陆需自主完成一系列动作，不可控因素多，难度大。为确保火星探测器安全着陆，采用“材料学+地貌学+岩土力学”多学科交叉的方法来模拟火星地表重要特性，在此基础上为保证场地建设及使用经济合理、保护环境和试验工况的快速布置等需求，采用“区域组合+移固组合”的方法对试验场地进行研究并建造。随后分别对该着陆试验场地貌区和着陆区进行激光、微波特性和承载力特性相关测试。测试结果表明：试验场整体布局合理，各区域可拆卸设备质轻易搬运，便于快速进行不同试验工况设置；地貌区激光和微波反射及散射特性与着陆区的基本物理力学特性等相关测试结果与真实火星表面目标值吻合程度较好；本试验场地已为“天问一号”相关避障和着陆测试提供服务，助力“天问一号”成功登陆火星乌托邦平原预选着陆区。