三種環(huán)境下月壤削坡試驗(yàn)離散元分析
發(fā)布時(shí)間:2021-10-14 22:26
在未來(lái)的探月計(jì)劃中的基地建設(shè)和資源開(kāi)采等活動(dòng),不可避免地涉及月壤快速削坡過(guò)程.然而,月面環(huán)境與地球環(huán)境相差很大,比如低重力、高真空等,故而從地面環(huán)境得到的有關(guān)快速削坡的認(rèn)知不可直接運(yùn)用到月面環(huán)境.因此,有必要研究月面特殊環(huán)境對(duì)月壤快速削坡試驗(yàn)的影響.本文將顆粒間的抗轉(zhuǎn)動(dòng)作用和范德華力引入月壤微觀接觸模型,并植入到顆粒流軟件(particle flow code,PFC)中進(jìn)行3種環(huán)境下(月面環(huán)境、不考慮范德華力月面環(huán)境、地面環(huán)境)月壤快速削坡試驗(yàn)?zāi)M,對(duì)比分析了重力場(chǎng)和范德華力對(duì)快速削坡試驗(yàn)中流滑距離、坡后沉降及最終傾角的影響.結(jié)果表明:相對(duì)于地面環(huán)境,月面環(huán)境下得到的流滑距離和坡后沉降都偏小而最終傾角偏大,表明月面環(huán)境邊坡更趨于穩(wěn)定而不易發(fā)生滑坡;進(jìn)一步分析表明,月面環(huán)境對(duì)快速削坡實(shí)驗(yàn)的影響主要是由月面環(huán)境下低重力場(chǎng)引起的,而高真空和高溫差引起的范德華力的影響可以忽略不計(jì).
【文章來(lái)源】:鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版). 2019,51(01)北大核心
【文章頁(yè)數(shù)】:8 頁(yè)
【部分圖文】:
圖1月壤微觀接觸模型[7-8]Fig.1Microcontactmodeloflunarsoil[7-8]
肪誠(chéng)略氯老髕率匝槔肷⒃?治?2月壤邊坡模型建立在采用離散單元法模擬月壤滑坡試驗(yàn)過(guò)程中,若直接采用與真實(shí)月壤顆粒相同的級(jí)配,就會(huì)導(dǎo)致顆粒粒徑跨度過(guò)大,所需顆粒數(shù)目非常多,考慮到計(jì)算機(jī)能力及計(jì)算效率,對(duì)月壤級(jí)配做合理簡(jiǎn)化[7-8].根據(jù)Mitchell[22]等測(cè)得真實(shí)月壤的黏聚力值范圍為0.1~1.0kPa,內(nèi)摩擦角范圍為30°~50°,通過(guò)模擬雙軸試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)月壤宏觀參數(shù)標(biāo)定,微觀參數(shù)與文獻(xiàn)[7-8]一致,得黏聚力c=0.2kPa,內(nèi)摩擦角約為φ=42.6°,處于真實(shí)月壤的范圍之內(nèi).圖2為采用離散單元法的數(shù)值模擬過(guò)程中邊坡形成的示意圖.本次模擬中坡體的形成主要經(jīng)歷3個(gè)階段:首先采用文獻(xiàn)[23]提出分層欠壓法生成相對(duì)密實(shí)均勻的地基,兩側(cè)墻及底墻為無(wú)摩擦的剛性墻,頂部為自由邊界,地基寬度為5m,初始高度為2.5m,顆粒總數(shù)為1.5×105.其次,試樣需要在1/6g重力場(chǎng)下完成固結(jié)平衡,來(lái)模擬真實(shí)月面環(huán)境下地應(yīng)力水平,固結(jié)完成后地基中水平應(yīng)力及孔隙比分布如圖3所示,可知固結(jié)平衡后的地基初始應(yīng)力數(shù)值解和理論解基本一致,且孔隙比分布均勻.最后,需要對(duì)地基進(jìn)行切坡處理,此處選取初始坡角為60°,略大于月陸地區(qū)的極值55.7°,在其重力場(chǎng)下自由滑塌過(guò)程,這有助于模擬可能出現(xiàn)最危險(xiǎn)的滑坡災(zāi)害.在具有月壤特性的坡體形成后,坡體需要分別在地面環(huán)境(1g)、不考慮范德華力月面環(huán)境或稱(chēng)簡(jiǎn)化月面環(huán)境(1/6g)及月面環(huán)境(1/6g+范德華力)下完成滑坡試驗(yàn),達(dá)到系統(tǒng)的第2次平衡,同時(shí)記錄滑坡過(guò)程的微觀信息.為了保證月壤材料性質(zhì)不變,同時(shí)保證破壞過(guò)程只有單一重力場(chǎng),坡體破壞的觸發(fā)方法既不是強(qiáng)度折減法也不是重力增加法,僅僅
5.7°,在其重力場(chǎng)下自由滑塌過(guò)程,這有助于模擬可能出現(xiàn)最危險(xiǎn)的滑坡災(zāi)害.在具有月壤特性的坡體形成后,坡體需要分別在地面環(huán)境(1g)、不考慮范德華力月面環(huán)境或稱(chēng)簡(jiǎn)化月面環(huán)境(1/6g)及月面環(huán)境(1/6g+范德華力)下完成滑坡試驗(yàn),達(dá)到系統(tǒng)的第2次平衡,同時(shí)記錄滑坡過(guò)程的微觀信息.為了保證月壤材料性質(zhì)不變,同時(shí)保證破壞過(guò)程只有單一重力場(chǎng),坡體破壞的觸發(fā)方法既不是強(qiáng)度折減法也不是重力增加法,僅僅只是高坡角下自重滑塌.圖2數(shù)值模擬中邊坡模型Fig.2TheslopemodelinDEManalyses圖31/6重力場(chǎng)下地基初始應(yīng)力水平及孔隙比分布Fig.3Distributionofinitialstressandvoidratiointhegroundunder1/6g3模擬結(jié)果分析3.1變形圖圖4給出了地面環(huán)境和月面環(huán)境下滑坡過(guò)程變形示意圖.無(wú)論地面環(huán)境還是月面環(huán)境都經(jīng)歷3個(gè)階段:啟滑階段、滑動(dòng)階段及穩(wěn)定階段.啟滑階段,地面環(huán)境與月面環(huán)境下滑坡臨空面出現(xiàn)輕微的滑動(dòng),幾乎看不出明顯的差異.滑動(dòng)階段,通過(guò)網(wǎng)格變形能夠看出大致的滑動(dòng)面,地面環(huán)境的滑坡體區(qū)域比月面環(huán)境下滑坡體區(qū)域大,這是因?yàn)榈孛姝h(huán)境的重力場(chǎng)為1g,遠(yuǎn)大于月面環(huán)境下的重力場(chǎng)1/6g,較高的重力場(chǎng)使得顆粒具有的勢(shì)能越大,下滑過(guò)程做功也越大,影響的范圍也越大.通過(guò)將滑坡體表面局部放大,發(fā)現(xiàn)月面環(huán)境下滑坡體的滑坡表面較為粗糙,出現(xiàn)微小的張拉裂隙.這主要是因?yàn)樵旅姝h(huán)境下顆粒之間因范德華力作用,能夠相互吸引,抱成團(tuán)簇順坡滾動(dòng),帶走部分黏附顆粒,使得其臨空滑動(dòng)面坑坑洼洼,表面粗糙,而地面環(huán)境下模擬月壤顆粒之間摩擦力很小,呈現(xiàn)散粒體的滑動(dòng),表面容易形成光滑面.更進(jìn)一步,月面環(huán)境下滑坡體傾斜角度比地面環(huán)境下要更為陡峭,
【參考文獻(xiàn)】:
期刊論文
[1]基于本體的地理空間對(duì)象多尺度模型[J]. 楊耀明,湯曉安,周莉,韓興宇. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版). 2017(03)
[2]模擬月壤顆粒形狀特征及其對(duì)抗剪強(qiáng)度影響分析[J]. 林呈祥,鐘世英,凌道盛. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2016(11)
[3]月壤水平推剪試驗(yàn)的離散元數(shù)值分析[J]. 蔣明鏡,奚邦祿,申志福,戴永生. 地下空間與工程學(xué)報(bào). 2016(03)
[4]月球雨海地區(qū)三個(gè)著陸點(diǎn)的地質(zhì)特征對(duì)比研究[J]. 喬樂(lè),劉小倩,趙健楠,魏榆,肖龍. 中國(guó)科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué). 2016(02)
[5]不同重力下月壤水平推剪阻力離散元數(shù)值分析[J]. 蔣明鏡,奚邦祿,申志福,戴永生. 巖土工程學(xué)報(bào). 2015(07)
[6]月球正面撞擊坑的空間分布特征分析[J]. 周增坡,程維明,萬(wàn)叢,侯琳. 地球信息科學(xué)學(xué)報(bào). 2012(05)
[7]簡(jiǎn)化接觸模型的月壤離散元數(shù)值分析[J]. 鄭敏,蔣明鏡,申志福. 巖土力學(xué). 2011(S1)
[8]我國(guó)月球探測(cè)的總體科學(xué)目標(biāo)與發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 歐陽(yáng)自遠(yuǎn). 地球科學(xué)進(jìn)展. 2004(03)
本文編號(hào):3436932
【文章來(lái)源】:鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版). 2019,51(01)北大核心
【文章頁(yè)數(shù)】:8 頁(yè)
【部分圖文】:
圖1月壤微觀接觸模型[7-8]Fig.1Microcontactmodeloflunarsoil[7-8]
肪誠(chéng)略氯老髕率匝槔肷⒃?治?2月壤邊坡模型建立在采用離散單元法模擬月壤滑坡試驗(yàn)過(guò)程中,若直接采用與真實(shí)月壤顆粒相同的級(jí)配,就會(huì)導(dǎo)致顆粒粒徑跨度過(guò)大,所需顆粒數(shù)目非常多,考慮到計(jì)算機(jī)能力及計(jì)算效率,對(duì)月壤級(jí)配做合理簡(jiǎn)化[7-8].根據(jù)Mitchell[22]等測(cè)得真實(shí)月壤的黏聚力值范圍為0.1~1.0kPa,內(nèi)摩擦角范圍為30°~50°,通過(guò)模擬雙軸試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)月壤宏觀參數(shù)標(biāo)定,微觀參數(shù)與文獻(xiàn)[7-8]一致,得黏聚力c=0.2kPa,內(nèi)摩擦角約為φ=42.6°,處于真實(shí)月壤的范圍之內(nèi).圖2為采用離散單元法的數(shù)值模擬過(guò)程中邊坡形成的示意圖.本次模擬中坡體的形成主要經(jīng)歷3個(gè)階段:首先采用文獻(xiàn)[23]提出分層欠壓法生成相對(duì)密實(shí)均勻的地基,兩側(cè)墻及底墻為無(wú)摩擦的剛性墻,頂部為自由邊界,地基寬度為5m,初始高度為2.5m,顆粒總數(shù)為1.5×105.其次,試樣需要在1/6g重力場(chǎng)下完成固結(jié)平衡,來(lái)模擬真實(shí)月面環(huán)境下地應(yīng)力水平,固結(jié)完成后地基中水平應(yīng)力及孔隙比分布如圖3所示,可知固結(jié)平衡后的地基初始應(yīng)力數(shù)值解和理論解基本一致,且孔隙比分布均勻.最后,需要對(duì)地基進(jìn)行切坡處理,此處選取初始坡角為60°,略大于月陸地區(qū)的極值55.7°,在其重力場(chǎng)下自由滑塌過(guò)程,這有助于模擬可能出現(xiàn)最危險(xiǎn)的滑坡災(zāi)害.在具有月壤特性的坡體形成后,坡體需要分別在地面環(huán)境(1g)、不考慮范德華力月面環(huán)境或稱(chēng)簡(jiǎn)化月面環(huán)境(1/6g)及月面環(huán)境(1/6g+范德華力)下完成滑坡試驗(yàn),達(dá)到系統(tǒng)的第2次平衡,同時(shí)記錄滑坡過(guò)程的微觀信息.為了保證月壤材料性質(zhì)不變,同時(shí)保證破壞過(guò)程只有單一重力場(chǎng),坡體破壞的觸發(fā)方法既不是強(qiáng)度折減法也不是重力增加法,僅僅
5.7°,在其重力場(chǎng)下自由滑塌過(guò)程,這有助于模擬可能出現(xiàn)最危險(xiǎn)的滑坡災(zāi)害.在具有月壤特性的坡體形成后,坡體需要分別在地面環(huán)境(1g)、不考慮范德華力月面環(huán)境或稱(chēng)簡(jiǎn)化月面環(huán)境(1/6g)及月面環(huán)境(1/6g+范德華力)下完成滑坡試驗(yàn),達(dá)到系統(tǒng)的第2次平衡,同時(shí)記錄滑坡過(guò)程的微觀信息.為了保證月壤材料性質(zhì)不變,同時(shí)保證破壞過(guò)程只有單一重力場(chǎng),坡體破壞的觸發(fā)方法既不是強(qiáng)度折減法也不是重力增加法,僅僅只是高坡角下自重滑塌.圖2數(shù)值模擬中邊坡模型Fig.2TheslopemodelinDEManalyses圖31/6重力場(chǎng)下地基初始應(yīng)力水平及孔隙比分布Fig.3Distributionofinitialstressandvoidratiointhegroundunder1/6g3模擬結(jié)果分析3.1變形圖圖4給出了地面環(huán)境和月面環(huán)境下滑坡過(guò)程變形示意圖.無(wú)論地面環(huán)境還是月面環(huán)境都經(jīng)歷3個(gè)階段:啟滑階段、滑動(dòng)階段及穩(wěn)定階段.啟滑階段,地面環(huán)境與月面環(huán)境下滑坡臨空面出現(xiàn)輕微的滑動(dòng),幾乎看不出明顯的差異.滑動(dòng)階段,通過(guò)網(wǎng)格變形能夠看出大致的滑動(dòng)面,地面環(huán)境的滑坡體區(qū)域比月面環(huán)境下滑坡體區(qū)域大,這是因?yàn)榈孛姝h(huán)境的重力場(chǎng)為1g,遠(yuǎn)大于月面環(huán)境下的重力場(chǎng)1/6g,較高的重力場(chǎng)使得顆粒具有的勢(shì)能越大,下滑過(guò)程做功也越大,影響的范圍也越大.通過(guò)將滑坡體表面局部放大,發(fā)現(xiàn)月面環(huán)境下滑坡體的滑坡表面較為粗糙,出現(xiàn)微小的張拉裂隙.這主要是因?yàn)樵旅姝h(huán)境下顆粒之間因范德華力作用,能夠相互吸引,抱成團(tuán)簇順坡滾動(dòng),帶走部分黏附顆粒,使得其臨空滑動(dòng)面坑坑洼洼,表面粗糙,而地面環(huán)境下模擬月壤顆粒之間摩擦力很小,呈現(xiàn)散粒體的滑動(dòng),表面容易形成光滑面.更進(jìn)一步,月面環(huán)境下滑坡體傾斜角度比地面環(huán)境下要更為陡峭,
【參考文獻(xiàn)】:
期刊論文
[1]基于本體的地理空間對(duì)象多尺度模型[J]. 楊耀明,湯曉安,周莉,韓興宇. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版). 2017(03)
[2]模擬月壤顆粒形狀特征及其對(duì)抗剪強(qiáng)度影響分析[J]. 林呈祥,鐘世英,凌道盛. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2016(11)
[3]月壤水平推剪試驗(yàn)的離散元數(shù)值分析[J]. 蔣明鏡,奚邦祿,申志福,戴永生. 地下空間與工程學(xué)報(bào). 2016(03)
[4]月球雨海地區(qū)三個(gè)著陸點(diǎn)的地質(zhì)特征對(duì)比研究[J]. 喬樂(lè),劉小倩,趙健楠,魏榆,肖龍. 中國(guó)科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué). 2016(02)
[5]不同重力下月壤水平推剪阻力離散元數(shù)值分析[J]. 蔣明鏡,奚邦祿,申志福,戴永生. 巖土工程學(xué)報(bào). 2015(07)
[6]月球正面撞擊坑的空間分布特征分析[J]. 周增坡,程維明,萬(wàn)叢,侯琳. 地球信息科學(xué)學(xué)報(bào). 2012(05)
[7]簡(jiǎn)化接觸模型的月壤離散元數(shù)值分析[J]. 鄭敏,蔣明鏡,申志福. 巖土力學(xué). 2011(S1)
[8]我國(guó)月球探測(cè)的總體科學(xué)目標(biāo)與發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 歐陽(yáng)自遠(yuǎn). 地球科學(xué)進(jìn)展. 2004(03)
本文編號(hào):3436932
本文鏈接:http://sikaile.net/kejilunwen/tianwen/3436932.html
最近更新
教材專(zhuān)著