小重力環(huán)境下靜力觸探模型試驗研究
發(fā)布時間：2022-01-22 15:07
月球基地建設與礦產(chǎn)資源開發(fā)的基礎與關鍵是充分掌握月壤的力學與工程特性。目前由于缺少對小重力環(huán)境的真實模擬而難以系統(tǒng)、準確地揭示土的力學、工程等特性與重力場間的耦合環(huán)境效應。通過利用磁擬小重力模型試驗系統(tǒng)開展了一系列小重力環(huán)境（1/6g、1/3g、2/3g、1g）下磁敏性無黏性土靜力觸探模型試驗。試驗結果表明:模型探頭在貫入過程中錐尖阻力隨深度的增加表現(xiàn)出明顯的3個應力增長階段,在同一貫入深度處,錐尖阻力隨重力場的增大而增大;歸一化錐尖阻力隨深度的增加先增大后減小并最終趨于穩(wěn)定,而隨重力場的增大卻逐漸減小;同時,歸一化錐尖阻力的最大值和最終穩(wěn)定值與重力場相似常數(shù)的倒數(shù)間存在較好的線性關系。
【文章來源】：地下空間與工程學報. 2019,15(02)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
試驗系統(tǒng)示意圖1．磁重力試驗模塊
、模型探頭、加載與數(shù)據(jù)采集等組成。根據(jù)Bolton和Gui等［13-14］模型試驗邊界效應的研究，設計的圓柱形模型箱內徑86mm、高度260mm、壁厚2mm。模型探頭采用原位測試中靜力觸探探頭為原型(錐角60°、錐底直徑35．7mm、錐底面積約1000mm2)，取相似縮比N=4．5，確定其幾何參數(shù)(錐角60°、錐頭直徑8．0mm、錐底面積約50mm2)。模型箱的等效寬度與錐頭直徑比約為21．5，符合文獻［14］中關于忽略剛性邊界約束效應對試驗影響的尺寸要求，如圖2所示。采用準靜力加載方式，由應變控制式步進電機施加軸向荷載。探頭與加載系統(tǒng)間安裝TJL-1型推拉力計，推拉力計輸出端口外接datatakerDT800數(shù)據(jù)采集儀，實現(xiàn)試驗全過程采集軸向荷載。同時，軸向加載桿安裝高精度LVDT用于采集軸向加載位移。圖2模型箱與探頭示意圖Fig．2Schematicdiagramofmodelboxandprobe1．2試驗材料課題團隊進行了大量的巖土工程磁力模型試驗土體相似材料研制的研究工作［15-16］，在此基礎上，試驗選用的無黏性土顆粒材料是由62．5Ｒ型高強度鋁酸鹽水泥作為膠結料和BMMF-1系列Fe3O4磁粉作為摻料共同組成。Fe3O4磁粉既作為細顆粒介質，優(yōu)化水泥膠結料的粒徑級配，也作為磁性介質摻入，保證試樣材料的磁化性能。利用攪拌機將水泥粉與Fe3O4磁粉充分混合，待混合均勻后加水繼續(xù)攪拌并在立方體模具內制樣，室溫養(yǎng)護28天，最后將塊體試樣經(jīng)機械破碎，篩分等工序研制而成，如圖3所示。通過對不同磁粉含量和灰水比的無黏性土材料進行測試，本試驗最終選用磁粉含量為50%，灰水比為2．5∶
?辛舜罅康難彝涼こ檀帕δＰ褪?驗土體相似材料研制的研究工作［15-16］，在此基礎上，試驗選用的無黏性土顆粒材料是由62．5Ｒ型高強度鋁酸鹽水泥作為膠結料和BMMF-1系列Fe3O4磁粉作為摻料共同組成。Fe3O4磁粉既作為細顆粒介質，優(yōu)化水泥膠結料的粒徑級配，也作為磁性介質摻入，保證試樣材料的磁化性能。利用攪拌機將水泥粉與Fe3O4磁粉充分混合，待混合均勻后加水繼續(xù)攪拌并在立方體模具內制樣，室溫養(yǎng)護28天，最后將塊體試樣經(jīng)機械破碎，篩分等工序研制而成，如圖3所示。通過對不同磁粉含量和灰水比的無黏性土材料進行測試，本試驗最終選用磁粉含量為50%，灰水比為2．5∶1的無黏性土顆粒材料，可以同時保證顆粒具有足夠的強度和優(yōu)良的磁擬重力場性能。圖3磁敏性無黏性土Fig．3Magneticsensitivecohesionlesssoil磁敏性無黏性土材料的物理性質指標如表1所示。Carrier［17］對真實月壤的粒徑分布和磁敏性無黏性土材料的顆粒級配如圖4所示�？梢钥闯觯ㄟ^篩分、配比獲得的無黏性土顆粒材料其級配曲線落在真實月壤的顆粒級配上下限內，實現(xiàn)了在顆粒尺度、級配方面與真實月壤的模擬。通過改變試驗空間內的磁場強度和形態(tài)，實現(xiàn)模擬不同的小重力場(1/6g、1/3g、2/3g、1g)，材料的磁擬小重力特性曲線如圖5所示，圖中:Ng=g'/g(1)式中:Ng為重力場相似常數(shù)，無量綱;g'為磁擬小重力場，單位m/s2;g為地球重力場，其值約為9．8m/s2。表1無黏性土物理特性指標Table1Physicalpropertiesofthecohesionlesssoil相對密度ds平均粒徑d50/mm最大干密度ρ
【參考文獻】：
期刊論文
[1]豎向荷載對月球車行駛性能影響的離散元分析[J]. 蔣明鏡,戴永生,申志福. 地下空間與工程學報. 2015(05)
[2]低重力環(huán)境下靜力觸探貫入機理離散元分析[J]. 蔣明鏡,戴永生,王新新. 巖土工程學報. 2014(11)
[3]不同重力場下靜力觸探試驗離散元數(shù)值分析[J]. 蔣明鏡,王新新. 巖土力學. 2013(03)
[4]巖土工程磁力模型實驗土體相似材料的研制[J]. 李瑞林,周國慶,陳國舟,石高鵬,李軍. 功能材料. 2012(19)
[5]不同粒徑分布模擬月壤承壓特性試驗研究[J]. 鄒猛,李建橋,何玲,李豪,張曉冬,周桂芬. 航空學報. 2012(12)
[6]月球探測進展與我國的探月行動(上)[J]. 歐陽自遠. 自然雜志. 2005(04)
博士論文
[1]月球探測器地月空間轉移軌道研究[D]. 高玉東.國防科學技術大學 2008
碩士論文
[1]人工裝置與模擬月壤相互作用的土工離心模型試驗研究[D]. 李志剛.清華大學 2008
本文編號：3602417
【文章來源】：地下空間與工程學報. 2019,15(02)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
試驗系統(tǒng)示意圖1．磁重力試驗模塊
、模型探頭、加載與數(shù)據(jù)采集等組成。根據(jù)Bolton和Gui等［13-14］模型試驗邊界效應的研究，設計的圓柱形模型箱內徑86mm、高度260mm、壁厚2mm。模型探頭采用原位測試中靜力觸探探頭為原型(錐角60°、錐底直徑35．7mm、錐底面積約1000mm2)，取相似縮比N=4．5，確定其幾何參數(shù)(錐角60°、錐頭直徑8．0mm、錐底面積約50mm2)。模型箱的等效寬度與錐頭直徑比約為21．5，符合文獻［14］中關于忽略剛性邊界約束效應對試驗影響的尺寸要求，如圖2所示。采用準靜力加載方式，由應變控制式步進電機施加軸向荷載。探頭與加載系統(tǒng)間安裝TJL-1型推拉力計，推拉力計輸出端口外接datatakerDT800數(shù)據(jù)采集儀，實現(xiàn)試驗全過程采集軸向荷載。同時，軸向加載桿安裝高精度LVDT用于采集軸向加載位移。圖2模型箱與探頭示意圖Fig．2Schematicdiagramofmodelboxandprobe1．2試驗材料課題團隊進行了大量的巖土工程磁力模型試驗土體相似材料研制的研究工作［15-16］，在此基礎上，試驗選用的無黏性土顆粒材料是由62．5Ｒ型高強度鋁酸鹽水泥作為膠結料和BMMF-1系列Fe3O4磁粉作為摻料共同組成。Fe3O4磁粉既作為細顆粒介質，優(yōu)化水泥膠結料的粒徑級配，也作為磁性介質摻入，保證試樣材料的磁化性能。利用攪拌機將水泥粉與Fe3O4磁粉充分混合，待混合均勻后加水繼續(xù)攪拌并在立方體模具內制樣，室溫養(yǎng)護28天，最后將塊體試樣經(jīng)機械破碎，篩分等工序研制而成，如圖3所示。通過對不同磁粉含量和灰水比的無黏性土材料進行測試，本試驗最終選用磁粉含量為50%，灰水比為2．5∶
?辛舜罅康難彝涼こ檀帕δＰ褪?驗土體相似材料研制的研究工作［15-16］，在此基礎上，試驗選用的無黏性土顆粒材料是由62．5Ｒ型高強度鋁酸鹽水泥作為膠結料和BMMF-1系列Fe3O4磁粉作為摻料共同組成。Fe3O4磁粉既作為細顆粒介質，優(yōu)化水泥膠結料的粒徑級配，也作為磁性介質摻入，保證試樣材料的磁化性能。利用攪拌機將水泥粉與Fe3O4磁粉充分混合，待混合均勻后加水繼續(xù)攪拌并在立方體模具內制樣，室溫養(yǎng)護28天，最后將塊體試樣經(jīng)機械破碎，篩分等工序研制而成，如圖3所示。通過對不同磁粉含量和灰水比的無黏性土材料進行測試，本試驗最終選用磁粉含量為50%，灰水比為2．5∶1的無黏性土顆粒材料，可以同時保證顆粒具有足夠的強度和優(yōu)良的磁擬重力場性能。圖3磁敏性無黏性土Fig．3Magneticsensitivecohesionlesssoil磁敏性無黏性土材料的物理性質指標如表1所示。Carrier［17］對真實月壤的粒徑分布和磁敏性無黏性土材料的顆粒級配如圖4所示�？梢钥闯觯ㄟ^篩分、配比獲得的無黏性土顆粒材料其級配曲線落在真實月壤的顆粒級配上下限內，實現(xiàn)了在顆粒尺度、級配方面與真實月壤的模擬。通過改變試驗空間內的磁場強度和形態(tài)，實現(xiàn)模擬不同的小重力場(1/6g、1/3g、2/3g、1g)，材料的磁擬小重力特性曲線如圖5所示，圖中:Ng=g'/g(1)式中:Ng為重力場相似常數(shù)，無量綱;g'為磁擬小重力場，單位m/s2;g為地球重力場，其值約為9．8m/s2。表1無黏性土物理特性指標Table1Physicalpropertiesofthecohesionlesssoil相對密度ds平均粒徑d50/mm最大干密度ρ
【參考文獻】：
期刊論文
[1]豎向荷載對月球車行駛性能影響的離散元分析[J]. 蔣明鏡,戴永生,申志福. 地下空間與工程學報. 2015(05)
[2]低重力環(huán)境下靜力觸探貫入機理離散元分析[J]. 蔣明鏡,戴永生,王新新. 巖土工程學報. 2014(11)
[3]不同重力場下靜力觸探試驗離散元數(shù)值分析[J]. 蔣明鏡,王新新. 巖土力學. 2013(03)
[4]巖土工程磁力模型實驗土體相似材料的研制[J]. 李瑞林,周國慶,陳國舟,石高鵬,李軍. 功能材料. 2012(19)
[5]不同粒徑分布模擬月壤承壓特性試驗研究[J]. 鄒猛,李建橋,何玲,李豪,張曉冬,周桂芬. 航空學報. 2012(12)
[6]月球探測進展與我國的探月行動(上)[J]. 歐陽自遠. 自然雜志. 2005(04)
博士論文
[1]月球探測器地月空間轉移軌道研究[D]. 高玉東.國防科學技術大學 2008
碩士論文
[1]人工裝置與模擬月壤相互作用的土工離心模型試驗研究[D]. 李志剛.清華大學 2008
本文編號：3602417
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