重力引起的应力梯度作用下颗粒介质力学行为研究
发布时间：2020-09-17 20:46
重力场作为工程领域最主要的、甚至是唯一的荷载来源,其引起的应力梯度广泛存在于地球岩土工程以及以星球基地建设和资源开采为主要目标的深空星壤工程中。然而,受限于理论体系缺乏、试验手段不足等因素,目前重力引起的应力梯度还没有得到岩土工程界的足够重视。本文围绕“颗粒介质在重力引起的应力梯度作用下的力学行为”关键科学问题,从力学理论模型、数值单元试验、模型试验方法及模型试验四个方面进行了系统研究。首先,针对经典连续介质力学理论体系无法描述重力引起的应力梯度对颗粒介质本征力学行为影响的局限,引入代表性体积单元的概念,基于均质化理论将非均质非连续颗粒介质等效为应力梯度连续介质,并进一步建立了一种包含平衡方程、几何方程、边界条件及本构方程的高阶连续介质力学模型,同时给出了基于代表性体积单元的本构响应获取颗粒介质本征本构关系的方法。其次,在所构建的高阶连续介质力学模型的理论框架下,针对大主应力与重力方向重合且不考虑k_0固结的情形,进行了不同重力场和围压条件下代表性体积单元的数值单元试验,研究了应力梯度对颗粒介质本征力学行为的影响。结果表明,重力引起的应力梯度对颗粒介质等压固结特征、三轴剪切强度、弹性模量、内摩擦角、体积应变及临界状态力学行为均具有显著影响,且其影响与围压间存在耦合效应。进一步通过细观力学响应分析发现,重力敏感型颗粒导致孔胞的模、拉伸率及取向角等细观力学参数均呈现出重力场相关性,进一步引起颗粒骨架体系和微剪切带呈现出重力场相关的演化,最终造成了宏观力学响应的应力梯度依赖性。进一步,分别考虑单元高度变化和颗粒尺寸变化引起的尺度效应,进行了不同重力场条件下不同尺度代表性体积单元的数值单元试验,研究了应力梯度作用下颗粒介质尺度相关的本征力学行为。结果表明,不同重力场条件下尺度及其起源对压固结特性没有显著影响;三轴压缩过程中尺度对剪切强度、内摩擦角、弹性模量、体积应变和临界状态力学行为均具有显著影响,施加应力梯度导致以上力学行为呈现出尺度起源相关性,且颗粒尺寸越大其影响越大。细观层面,重力场的增加导致孔胞模、拉伸率、取向角及力链骨架和微剪切带均呈现出尺度及尺度起源相关的复杂演化,最终导致了宏观力学响应的尺度效应。同时,针对现有重力场模拟手段无法满足重力引起的应力梯度对颗粒介质模型尺度力学响应研究的情形,基于磁力场模拟重力场的思想,系统地构建了涵盖“基础理论-试验设备-模型材料”的土工磁拟重力场模型试验方法,研制了可在Φ95×160mm圆柱形试验空间持续模拟0-20 min强度为0-10g重力场环境的试验系统,制备了系列磁敏性颗粒介质并研究了其磁化及磁重力特性。最后,基于土工磁拟重力场模型试验方法,通过活动门试验从模型尺度进一步研究了重力引起的应力梯度对颗粒介质力学响应的影响,并结合数值单元试验结果建立了同时考虑应力梯度和应力水平影响的土压力计算模型。综合模型试验和理论模型进一步探讨了应力梯度和应力水平对颗粒介质模型尺度力学响应影响的差异性。结果表明,考虑应力梯度时归一化土压力理论预测值才能够更好地吻合实测值,且应力梯度的影响要远大于应力水平。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU43
【部分图文】：
图 1-1 多级施加面力模拟应力梯度的试验设备 (廖璐璐, 2014)Figure 1-1 Equipment which generates stress gradient by sectional loading in boundaries (Liao, 2014)1.4.2 施加重力场实现应力梯度通过施加重力场在物理模型或试样中实现应力梯度的试验方法主要包括：1）超重力场(>1g)模拟，包括离心模型试验方法、基底摩擦试验方法及渗水力模型试验方法等；2）微、小重力场 (0-1g)模拟，包括“空基”方法和“陆基”方法。（一）离心模型试验方法离心模型试验方法采用土工离心机高速旋转产生的离心加速度来模拟重力加速度，是岩土工程领域最为广泛应用的 1-ng 重力场模拟方法。如图 1-2 所示，基于该方法模拟的重力场相似常数可表示为：2 cc( R z)S g(1-2)式中， 为旋转角速度，Rc为离心机臂长。作用于模型内 z 处的应力水平为：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 施加重力场实现应力梯度通过施加重力场在物理模型或试样中实现应力梯度的试验方法主要包括：1）超重力场(>1g)模拟，包括离心模型试验方法、基底摩擦试验方法及渗水力模型试验方法等；2）微、小重力场 (0-1g)模拟，包括“空基”方法和“陆基”方法。（一）离心模型试验方法离心模型试验方法采用土工离心机高速旋转产生的离心加速度来模拟重力加速度，是岩土工程领域最为广泛应用的 1-ng 重力场模拟方法。如图 1-2 所示，基于该方法模拟的重力场相似常数可表示为：2 cc( R z)S g(1-2)式中， 为旋转角速度，Rc为离心机臂长。作用于模型内 z 处的应力水平为：2 cx y 0 z( )zR z zk (1-3)式中，ρ 为模型密度，k0为静止侧压力系数。
离心力等势线并不相互平行[129]；ii）离心力场具有空间不均匀性[130]；iii）高速旋转的试验环境使得模拟动态开挖、营造等工况具有极大难度，且导致测量元器件等的精度和稳定性降低；iv）难以应用于深部井筒等大长径（厚）比结构的研究。（二）基底摩擦模型试验方法基底摩擦模型试验方法通过放置于可移动平面上的物理模型的底面与平面作相对运动产生摩擦力来模拟重力场，理论上可模拟 0-ng 重力场。如图 1-3，其试验装置主要由无级传动带和动力及变速机构组成。基于该方法模拟的重力场相似常数可表示为：mb u( p / h)S (1-4)式中，μ 为摩擦系数，γ 为容重，hm为模型厚度，pu为模型上的均布压力。作用于模型内 z 处的应力水平为：mux z y( / )( )z p h z (1-5)式中，ν 为泊松比。
本文编号：2821215
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU43
【部分图文】：
图 1-1 多级施加面力模拟应力梯度的试验设备 (廖璐璐, 2014)Figure 1-1 Equipment which generates stress gradient by sectional loading in boundaries (Liao, 2014)1.4.2 施加重力场实现应力梯度通过施加重力场在物理模型或试样中实现应力梯度的试验方法主要包括：1）超重力场(>1g)模拟，包括离心模型试验方法、基底摩擦试验方法及渗水力模型试验方法等；2）微、小重力场 (0-1g)模拟，包括“空基”方法和“陆基”方法。（一）离心模型试验方法离心模型试验方法采用土工离心机高速旋转产生的离心加速度来模拟重力加速度，是岩土工程领域最为广泛应用的 1-ng 重力场模拟方法。如图 1-2 所示，基于该方法模拟的重力场相似常数可表示为：2 cc( R z)S g(1-2)式中， 为旋转角速度，Rc为离心机臂长。作用于模型内 z 处的应力水平为：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 施加重力场实现应力梯度通过施加重力场在物理模型或试样中实现应力梯度的试验方法主要包括：1）超重力场(>1g)模拟，包括离心模型试验方法、基底摩擦试验方法及渗水力模型试验方法等；2）微、小重力场 (0-1g)模拟，包括“空基”方法和“陆基”方法。（一）离心模型试验方法离心模型试验方法采用土工离心机高速旋转产生的离心加速度来模拟重力加速度，是岩土工程领域最为广泛应用的 1-ng 重力场模拟方法。如图 1-2 所示，基于该方法模拟的重力场相似常数可表示为：2 cc( R z)S g(1-2)式中， 为旋转角速度，Rc为离心机臂长。作用于模型内 z 处的应力水平为：2 cx y 0 z( )zR z zk (1-3)式中，ρ 为模型密度，k0为静止侧压力系数。
离心力等势线并不相互平行[129]；ii）离心力场具有空间不均匀性[130]；iii）高速旋转的试验环境使得模拟动态开挖、营造等工况具有极大难度，且导致测量元器件等的精度和稳定性降低；iv）难以应用于深部井筒等大长径（厚）比结构的研究。（二）基底摩擦模型试验方法基底摩擦模型试验方法通过放置于可移动平面上的物理模型的底面与平面作相对运动产生摩擦力来模拟重力场，理论上可模拟 0-ng 重力场。如图 1-3，其试验装置主要由无级传动带和动力及变速机构组成。基于该方法模拟的重力场相似常数可表示为：mb u( p / h)S (1-4)式中，μ 为摩擦系数，γ 为容重，hm为模型厚度，pu为模型上的均布压力。作用于模型内 z 处的应力水平为：mux z y( / )( )z p h z (1-5)式中，ν 为泊松比。
本文编号：2821215
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