小重力环境下静力触探模型试验研究
发布时间：2022-01-22 15:07
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。
【文章来源】：地下空间与工程学报. 2019,15(02)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
试验系统示意图1．磁重力试验模块
、模型探头、加载与数据采集等组成。根据Bolton和Gui等［13-14］模型试验边界效应的研究，设计的圆柱形模型箱内径86mm、高度260mm、壁厚2mm。模型探头采用原位测试中静力触探探头为原型(锥角60°、锥底直径35．7mm、锥底面积约1000mm2)，取相似缩比N=4．5，确定其几何参数(锥角60°、锥头直径8．0mm、锥底面积约50mm2)。模型箱的等效宽度与锥头直径比约为21．5，符合文献［14］中关于忽略刚性边界约束效应对试验影响的尺寸要求，如图2所示。采用准静力加载方式，由应变控制式步进电机施加轴向荷载。探头与加载系统间安装TJL-1型推拉力计，推拉力计输出端口外接datatakerDT800数据采集仪，实现试验全过程采集轴向荷载。同时，轴向加载杆安装高精度LVDT用于采集轴向加载位移。图2模型箱与探头示意图Fig．2Schematicdiagramofmodelboxandprobe1．2试验材料课题团队进行了大量的岩土工程磁力模型试验土体相似材料研制的研究工作［15-16］，在此基础上，试验选用的无黏性土颗粒材料是由62．5Ｒ型高强度铝酸盐水泥作为胶结料和BMMF-1系列Fe3O4磁粉作为掺料共同组成。Fe3O4磁粉既作为细颗粒介质，优化水泥胶结料的粒径级配，也作为磁性介质掺入，保证试样材料的磁化性能。利用搅拌机将水泥粉与Fe3O4磁粉充分混合，待混合均匀后加水继续搅拌并在立方体模具内制样，室温养护28天，最后将块体试样经机械破碎，筛分等工序研制而成，如图3所示。通过对不同磁粉含量和灰水比的无黏性土材料进行测试，本试验最终选用磁粉含量为50%，灰水比为2．5∶
?辛舜罅康难彝凉こ檀帕δＰ褪?验土体相似材料研制的研究工作［15-16］，在此基础上，试验选用的无黏性土颗粒材料是由62．5Ｒ型高强度铝酸盐水泥作为胶结料和BMMF-1系列Fe3O4磁粉作为掺料共同组成。Fe3O4磁粉既作为细颗粒介质，优化水泥胶结料的粒径级配，也作为磁性介质掺入，保证试样材料的磁化性能。利用搅拌机将水泥粉与Fe3O4磁粉充分混合，待混合均匀后加水继续搅拌并在立方体模具内制样，室温养护28天，最后将块体试样经机械破碎，筛分等工序研制而成，如图3所示。通过对不同磁粉含量和灰水比的无黏性土材料进行测试，本试验最终选用磁粉含量为50%，灰水比为2．5∶1的无黏性土颗粒材料，可以同时保证颗粒具有足够的强度和优良的磁拟重力场性能。图3磁敏性无黏性土Fig．3Magneticsensitivecohesionlesssoil磁敏性无黏性土材料的物理性质指标如表1所示。Carrier［17］对真实月壤的粒径分布和磁敏性无黏性土材料的颗粒级配如图4所示。可以看出，通过筛分、配比获得的无黏性土颗粒材料其级配曲线落在真实月壤的颗粒级配上下限内，实现了在颗粒尺度、级配方面与真实月壤的模拟。通过改变试验空间内的磁场强度和形态，实现模拟不同的小重力场(1/6g、1/3g、2/3g、1g)，材料的磁拟小重力特性曲线如图5所示，图中:Ng=g'/g(1)式中:Ng为重力场相似常数，无量纲;g'为磁拟小重力场，单位m/s2;g为地球重力场，其值约为9．8m/s2。表1无黏性土物理特性指标Table1Physicalpropertiesofthecohesionlesssoil相对密度ds平均粒径d50/mm最大干密度ρ
【参考文献】：
期刊论文
[1]竖向荷载对月球车行驶性能影响的离散元分析[J]. 蒋明镜,戴永生,申志福. 地下空间与工程学报. 2015(05)
[2]低重力环境下静力触探贯入机理离散元分析[J]. 蒋明镜,戴永生,王新新. 岩土工程学报. 2014(11)
[3]不同重力场下静力触探试验离散元数值分析[J]. 蒋明镜,王新新. 岩土力学. 2013(03)
[4]岩土工程磁力模型实验土体相似材料的研制[J]. 李瑞林,周国庆,陈国舟,石高鹏,李军. 功能材料. 2012(19)
[5]不同粒径分布模拟月壤承压特性试验研究[J]. 邹猛,李建桥,何玲,李豪,张晓冬,周桂芬. 航空学报. 2012(12)
[6]月球探测进展与我国的探月行动(上)[J]. 欧阳自远. 自然杂志. 2005(04)
博士论文
[1]月球探测器地月空间转移轨道研究[D]. 高玉东.国防科学技术大学 2008
硕士论文
[1]人工装置与模拟月壤相互作用的土工离心模型试验研究[D]. 李志刚.清华大学 2008
本文编号：3602417
【文章来源】：地下空间与工程学报. 2019,15(02)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
试验系统示意图1．磁重力试验模块
、模型探头、加载与数据采集等组成。根据Bolton和Gui等［13-14］模型试验边界效应的研究，设计的圆柱形模型箱内径86mm、高度260mm、壁厚2mm。模型探头采用原位测试中静力触探探头为原型(锥角60°、锥底直径35．7mm、锥底面积约1000mm2)，取相似缩比N=4．5，确定其几何参数(锥角60°、锥头直径8．0mm、锥底面积约50mm2)。模型箱的等效宽度与锥头直径比约为21．5，符合文献［14］中关于忽略刚性边界约束效应对试验影响的尺寸要求，如图2所示。采用准静力加载方式，由应变控制式步进电机施加轴向荷载。探头与加载系统间安装TJL-1型推拉力计，推拉力计输出端口外接datatakerDT800数据采集仪，实现试验全过程采集轴向荷载。同时，轴向加载杆安装高精度LVDT用于采集轴向加载位移。图2模型箱与探头示意图Fig．2Schematicdiagramofmodelboxandprobe1．2试验材料课题团队进行了大量的岩土工程磁力模型试验土体相似材料研制的研究工作［15-16］，在此基础上，试验选用的无黏性土颗粒材料是由62．5Ｒ型高强度铝酸盐水泥作为胶结料和BMMF-1系列Fe3O4磁粉作为掺料共同组成。Fe3O4磁粉既作为细颗粒介质，优化水泥胶结料的粒径级配，也作为磁性介质掺入，保证试样材料的磁化性能。利用搅拌机将水泥粉与Fe3O4磁粉充分混合，待混合均匀后加水继续搅拌并在立方体模具内制样，室温养护28天，最后将块体试样经机械破碎，筛分等工序研制而成，如图3所示。通过对不同磁粉含量和灰水比的无黏性土材料进行测试，本试验最终选用磁粉含量为50%，灰水比为2．5∶
?辛舜罅康难彝凉こ檀帕δＰ褪?验土体相似材料研制的研究工作［15-16］，在此基础上，试验选用的无黏性土颗粒材料是由62．5Ｒ型高强度铝酸盐水泥作为胶结料和BMMF-1系列Fe3O4磁粉作为掺料共同组成。Fe3O4磁粉既作为细颗粒介质，优化水泥胶结料的粒径级配，也作为磁性介质掺入，保证试样材料的磁化性能。利用搅拌机将水泥粉与Fe3O4磁粉充分混合，待混合均匀后加水继续搅拌并在立方体模具内制样，室温养护28天，最后将块体试样经机械破碎，筛分等工序研制而成，如图3所示。通过对不同磁粉含量和灰水比的无黏性土材料进行测试，本试验最终选用磁粉含量为50%，灰水比为2．5∶1的无黏性土颗粒材料，可以同时保证颗粒具有足够的强度和优良的磁拟重力场性能。图3磁敏性无黏性土Fig．3Magneticsensitivecohesionlesssoil磁敏性无黏性土材料的物理性质指标如表1所示。Carrier［17］对真实月壤的粒径分布和磁敏性无黏性土材料的颗粒级配如图4所示。可以看出，通过筛分、配比获得的无黏性土颗粒材料其级配曲线落在真实月壤的颗粒级配上下限内，实现了在颗粒尺度、级配方面与真实月壤的模拟。通过改变试验空间内的磁场强度和形态，实现模拟不同的小重力场(1/6g、1/3g、2/3g、1g)，材料的磁拟小重力特性曲线如图5所示，图中:Ng=g'/g(1)式中:Ng为重力场相似常数，无量纲;g'为磁拟小重力场，单位m/s2;g为地球重力场，其值约为9．8m/s2。表1无黏性土物理特性指标Table1Physicalpropertiesofthecohesionlesssoil相对密度ds平均粒径d50/mm最大干密度ρ
【参考文献】：
期刊论文
[1]竖向荷载对月球车行驶性能影响的离散元分析[J]. 蒋明镜,戴永生,申志福. 地下空间与工程学报. 2015(05)
[2]低重力环境下静力触探贯入机理离散元分析[J]. 蒋明镜,戴永生,王新新. 岩土工程学报. 2014(11)
[3]不同重力场下静力触探试验离散元数值分析[J]. 蒋明镜,王新新. 岩土力学. 2013(03)
[4]岩土工程磁力模型实验土体相似材料的研制[J]. 李瑞林,周国庆,陈国舟,石高鹏,李军. 功能材料. 2012(19)
[5]不同粒径分布模拟月壤承压特性试验研究[J]. 邹猛,李建桥,何玲,李豪,张晓冬,周桂芬. 航空学报. 2012(12)
[6]月球探测进展与我国的探月行动(上)[J]. 欧阳自远. 自然杂志. 2005(04)
博士论文
[1]月球探测器地月空间转移轨道研究[D]. 高玉东.国防科学技术大学 2008
硕士论文
[1]人工装置与模拟月壤相互作用的土工离心模型试验研究[D]. 李志刚.清华大学 2008
本文编号：3602417
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