發(fā)布時(shí)間：2020-09-17 20:46

　　 重力場作為工程領(lǐng)域最主要的、甚至是唯一的荷載來源,其引起的應(yīng)力梯度廣泛存在于地球巖土工程以及以星球基地建設(shè)和資源開采為主要目標(biāo)的深空星壤工程中。然而,受限于理論體系缺乏、試驗(yàn)手段不足等因素,目前重力引起的應(yīng)力梯度還沒有得到巖土工程界的足夠重視。本文圍繞“顆粒介質(zhì)在重力引起的應(yīng)力梯度作用下的力學(xué)行為”關(guān)鍵科學(xué)問題,從力學(xué)理論模型、數(shù)值單元試驗(yàn)、模型試驗(yàn)方法及模型試驗(yàn)四個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。首先,針對經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論體系無法描述重力引起的應(yīng)力梯度對顆粒介質(zhì)本征力學(xué)行為影響的局限,引入代表性體積單元的概念,基于均質(zhì)化理論將非均質(zhì)非連續(xù)顆粒介質(zhì)等效為應(yīng)力梯度連續(xù)介質(zhì),并進(jìn)一步建立了一種包含平衡方程、幾何方程、邊界條件及本構(gòu)方程的高階連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型,同時(shí)給出了基于代表性體積單元的本構(gòu)響應(yīng)獲取顆粒介質(zhì)本征本構(gòu)關(guān)系的方法。其次,在所構(gòu)建的高階連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型的理論框架下,針對大主應(yīng)力與重力方向重合且不考慮k_0固結(jié)的情形,進(jìn)行了不同重力場和圍壓條件下代表性體積單元的數(shù)值單元試驗(yàn),研究了應(yīng)力梯度對顆粒介質(zhì)本征力學(xué)行為的影響。結(jié)果表明,重力引起的應(yīng)力梯度對顆粒介質(zhì)等壓固結(jié)特征、三軸剪切強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)摩擦角、體積應(yīng)變及臨界狀態(tài)力學(xué)行為均具有顯著影響,且其影響與圍壓間存在耦合效應(yīng)。進(jìn)一步通過細(xì)觀力學(xué)響應(yīng)分析發(fā)現(xiàn),重力敏感型顆粒導(dǎo)致孔胞的模、拉伸率及取向角等細(xì)觀力學(xué)參數(shù)均呈現(xiàn)出重力場相關(guān)性,進(jìn)一步引起顆粒骨架體系和微剪切帶呈現(xiàn)出重力場相關(guān)的演化,最終造成了宏觀力學(xué)響應(yīng)的應(yīng)力梯度依賴性。進(jìn)一步,分別考慮單元高度變化和顆粒尺寸變化引起的尺度效應(yīng),進(jìn)行了不同重力場條件下不同尺度代表性體積單元的數(shù)值單元試驗(yàn),研究了應(yīng)力梯度作用下顆粒介質(zhì)尺度相關(guān)的本征力學(xué)行為。結(jié)果表明,不同重力場條件下尺度及其起源對壓固結(jié)特性沒有顯著影響;三軸壓縮過程中尺度對剪切強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、彈性模量、體積應(yīng)變和臨界狀態(tài)力學(xué)行為均具有顯著影響,施加應(yīng)力梯度導(dǎo)致以上力學(xué)行為呈現(xiàn)出尺度起源相關(guān)性,且顆粒尺寸越大其影響越大。細(xì)觀層面,重力場的增加導(dǎo)致孔胞模、拉伸率、取向角及力鏈骨架和微剪切帶均呈現(xiàn)出尺度及尺度起源相關(guān)的復(fù)雜演化,最終導(dǎo)致了宏觀力學(xué)響應(yīng)的尺度效應(yīng)。同時(shí),針對現(xiàn)有重力場模擬手段無法滿足重力引起的應(yīng)力梯度對顆粒介質(zhì)模型尺度力學(xué)響應(yīng)研究的情形,基于磁力場模擬重力場的思想,系統(tǒng)地構(gòu)建了涵蓋“基礎(chǔ)理論-試驗(yàn)設(shè)備-模型材料”的土工磁擬重力場模型試驗(yàn)方法,研制了可在Φ95×160mm圓柱形試驗(yàn)空間持續(xù)模擬0-20 min強(qiáng)度為0-10g重力場環(huán)境的試驗(yàn)系統(tǒng),制備了系列磁敏性顆粒介質(zhì)并研究了其磁化及磁重力特性。最后,基于土工磁擬重力場模型試驗(yàn)方法,通過活動(dòng)門試驗(yàn)從模型尺度進(jìn)一步研究了重力引起的應(yīng)力梯度對顆粒介質(zhì)力學(xué)響應(yīng)的影響,并結(jié)合數(shù)值單元試驗(yàn)結(jié)果建立了同時(shí)考慮應(yīng)力梯度和應(yīng)力水平影響的土壓力計(jì)算模型。綜合模型試驗(yàn)和理論模型進(jìn)一步探討了應(yīng)力梯度和應(yīng)力水平對顆粒介質(zhì)模型尺度力學(xué)響應(yīng)影響的差異性。結(jié)果表明,考慮應(yīng)力梯度時(shí)歸一化土壓力理論預(yù)測值才能夠更好地吻合實(shí)測值,且應(yīng)力梯度的影響要遠(yuǎn)大于應(yīng)力水平。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TU43
【部分圖文】：

圖 1-1 多級(jí)施加面力模擬應(yīng)力梯度的試驗(yàn)設(shè)備 (廖璐璐, 2014)Figure 1-1 Equipment which generates stress gradient by sectional loading in boundaries (Liao, 2014)1.4.2 施加重力場實(shí)現(xiàn)應(yīng)力梯度通過施加重力場在物理模型或試樣中實(shí)現(xiàn)應(yīng)力梯度的試驗(yàn)方法主要包括：1）超重力場(>1g)模擬，包括離心模型試驗(yàn)方法、基底摩擦試驗(yàn)方法及滲水力模型試驗(yàn)方法等；2）微、小重力場 (0-1g)模擬，包括“空基”方法和“陸基”方法。（一）離心模型試驗(yàn)方法離心模型試驗(yàn)方法采用土工離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心加速度來模擬重力加速度，是巖土工程領(lǐng)域最為廣泛應(yīng)用的 1-ng 重力場模擬方法。如圖 1-2 所示，基于該方法模擬的重力場相似常數(shù)可表示為：2 cc( R z)S g(1-2)式中， 為旋轉(zhuǎn)角速度，Rc為離心機(jī)臂長。作用于模型內(nèi) z 處的應(yīng)力水平為：2 cx y 0 z( )zR z zk (1-3)

Figure 1-1 Equipment which generates stress gradient by sectional loading in boundaries (Liao, 2014)1.4.2 施加重力場實(shí)現(xiàn)應(yīng)力梯度通過施加重力場在物理模型或試樣中實(shí)現(xiàn)應(yīng)力梯度的試驗(yàn)方法主要包括：1）超重力場(>1g)模擬，包括離心模型試驗(yàn)方法、基底摩擦試驗(yàn)方法及滲水力模型試驗(yàn)方法等；2）微、小重力場 (0-1g)模擬，包括“空基”方法和“陸基”方法。（一）離心模型試驗(yàn)方法離心模型試驗(yàn)方法采用土工離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心加速度來模擬重力加速度，是巖土工程領(lǐng)域最為廣泛應(yīng)用的 1-ng 重力場模擬方法。如圖 1-2 所示，基于該方法模擬的重力場相似常數(shù)可表示為：2 cc( R z)S g(1-2)式中， 為旋轉(zhuǎn)角速度，Rc為離心機(jī)臂長。作用于模型內(nèi) z 處的應(yīng)力水平為：2 cx y 0 z( )zR z zk (1-3)式中，ρ 為模型密度，k0為靜止側(cè)壓力系數(shù)。

離心力等勢線并不相互平行[129]；ii）離心力場具有空間不均勻性[130]；iii）高速旋轉(zhuǎn)的試驗(yàn)環(huán)境使得模擬動(dòng)態(tài)開挖、營造等工況具有極大難度，且導(dǎo)致測量元器件等的精度和穩(wěn)定性降低；iv）難以應(yīng)用于深部井筒等大長徑（厚）比結(jié)構(gòu)的研究。（二）基底摩擦模型試驗(yàn)方法基底摩擦模型試驗(yàn)方法通過放置于可移動(dòng)平面上的物理模型的底面與平面作相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦力來模擬重力場，理論上可模擬 0-ng 重力場。如圖 1-3，其試驗(yàn)裝置主要由無級(jí)傳動(dòng)帶和動(dòng)力及變速機(jī)構(gòu)組成�；谠摲椒M的重力場相似常數(shù)可表示為：mb u( p / h)S (1-4)式中，μ 為摩擦系數(shù)，γ 為容重，hm為模型厚度，pu為模型上的均布?jí)毫�。作用于模型�?nèi) z 處的應(yīng)力水平為：mux z y( / )( )z p h z (1-5)式中，ν 為泊松比。

本文編號(hào)：2821215