模拟月壤土拱效应试验研究与三维离散元模拟

论文摘要

当前,人类面临煤炭、石油和天然气等现有传统能源日益枯竭的局面。于是,人们将目光投向了拥有丰富资源的月球。为了开发和利用月球资源,美国、俄罗斯等国家兴起新一轮世界性的“重返月球”热潮。中国也制定了探月工程“三步走”的计划,其中第三步以及未来月球基地的建设过程中,必将涉及到月壤原位勘察测试取样。为了确保在月球上顺利而完整的实现原位取样,先期必须在地球上进行相关的模拟试验。根据地球上原位取样的经验,经常会遇到取土器钻进后,土样采取率达不到要求,甚至是根本取不到土样的情况。通过对有关土力学机理的分析,很可能是在钻进的过程中受到了土拱效应的影响。本文首先选用与月壤样品具有相似矿物化学组成的火山喷发物质-靖宇火山灰作为制备模拟月壤原物质,制得火山灰试样。并对火山灰试样进行基本物理力学性质试验。结果表明:用雷蒙磨粉碎、并过0.5mm筛的火山灰试样及其与金刚砂的配合物,颗粒形状与月壤相似,土粒比重略小于典型月壤的土粒比重,平均粒径与内摩擦角跟月壤接近,可以用来模拟月壤。然后通过模拟月壤土拱效应验证试验表明:在模拟月壤中很容易出现土拱现象,并且形成土拱的难易程度与取样圆管孔径、模拟月壤的相对密度有关。总体来说:相同孔径时,相对密度越大,越容易成拱;相同密实度时,孔径越小,越容易成拱,且密实度较大时成拱高度约为孔的半径。通过土拱效应对原位取样影响的试验研究从机理上解释了可能造成原位取样失败的原因:受土拱作用的影响,土拱以下的土样被挡在管外,较难进入试验管中。同时,已进入管中的土样在试验管下压过程中因为土拱的影响会变得较松散,致使土样与管壁的摩擦力不足以在提取试验管时将土样取出,从而造成了钻取原状土样时的失败。最后运用三维离散元软件PFC3D模拟压管试验表明,圆柱墙在下压的过程中,土体中出现了明显的土拱现象。本文研究表明,在进行原位取样的过程中非常容易产生土拱效应。特别是月壤取样时,为了确保原位取样的顺利完成,更应该加强对土拱效应的研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前 言
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 模拟月壤研究现状
• 1.3 土拱效应形成机理及国内外研究现状
• 1.3.1 土拱效应形成机理
• 1.3.2 土拱效应国外研究现状
• 1.3.3 土拱效应国内研究现状
• 1.4 本文技术路线及研究内容
• 第2章 模拟月壤制备及物理力学特性试验研究
• 2.1 概述
• 2.2 模拟月壤原材料的选择
• 2.3 模拟月壤初始材料的制备
• 2.4 火山灰试样特性参数测定与评价
• 2.4.1 火山灰试样的化学成分测试
• 2.4.2 火山灰颗粒比重
• 2.4.3 粒径级配
• 2.4.4 火山灰颗粒形状
• 2.4.5 火山灰试样的密度、孔隙比和相对密度
• 2.4.6 火山灰试样及配合物的抗剪强度指标
• 2.5 本章小结
• 第3章 模拟月壤土拱效应试验研究
• 3.1 模拟月壤土拱效应验证试验
• 3.1.1 仪器制作
• 3.1.2 试验方案
• 3.1.3 试验过程
• 3.1.4 试验分析
• 3.2 土拱效应对原位取样影响的试验研究
• 3.2.1 仪器的选取与制作
• 3.2.2 试验方案
• 3.2.3 试验过程
• 3.2.4 试验分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 模拟月壤土拱效应三维离散元模拟
• 4.1 离散单元法简介
• 4.2 PFC3D 软件
• 4.2.1 软件简介
• 4.2.2 PFC3D 的基本假设及计算过程
• 4.2.3 PFC3D 的粒子-流模型
• 4.3 细观参数的确定
• 4.3.1 三轴模拟试验模型
• 4.3.2 三轴模拟试验结果
• 4.4 模拟月壤中压管过程模拟
• 4.4.1 建立物理力学模型
• 4.4.2 模拟试验结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录Ⅰ 土拱验证试验照片集
• 附录Ⅱ 三轴试验源程序
• 附录Ⅲ 模拟压管试验源程序
• 附录Ⅳ 个人简介