三种环境下月壤削坡试验离散元分析

发布时间：2021-10-14 22:26

　　在未来的探月计划中的基地建设和资源开采等活动,不可避免地涉及月壤快速削坡过程.然而,月面环境与地球环境相差很大,比如低重力、高真空等,故而从地面环境得到的有关快速削坡的认知不可直接运用到月面环境.因此,有必要研究月面特殊环境对月壤快速削坡试验的影响.本文将颗粒间的抗转动作用和范德华力引入月壤微观接触模型,并植入到颗粒流软件（particle flow code,PFC）中进行3种环境下（月面环境、不考虑范德华力月面环境、地面环境）月壤快速削坡试验模拟,对比分析了重力场和范德华力对快速削坡试验中流滑距离、坡后沉降及最终倾角的影响.结果表明:相对于地面环境,月面环境下得到的流滑距离和坡后沉降都偏小而最终倾角偏大,表明月面环境边坡更趋于稳定而不易发生滑坡;进一步分析表明,月面环境对快速削坡实验的影响主要是由月面环境下低重力场引起的,而高真空和高温差引起的范德华力的影响可以忽略不计. 

【文章来源】：郑州大学学报(理学版). 2019,51(01)北大核心

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【部分图文】：

图1月壤微观接触模型［7－8］Fig．1Microcontactmodeloflunarsoil［7－8］

肪诚略氯老髌率匝槔肷⒃?治?2月壤边坡模型建立在采用离散单元法模拟月壤滑坡试验过程中，若直接采用与真实月壤颗粒相同的级配，就会导致颗粒粒径跨度过大，所需颗粒数目非常多，考虑到计算机能力及计算效率，对月壤级配做合理简化［7－8］．根据Mitchell［22］等测得真实月壤的黏聚力值范围为0.1～1.0kPa，内摩擦角范围为30°～50°，通过模拟双轴试验进行对月壤宏观参数标定，微观参数与文献［7－8］一致，得黏聚力c=0.2kPa，内摩擦角约为φ=42.6°，处于真实月壤的范围之内．图2为采用离散单元法的数值模拟过程中边坡形成的示意图．本次模拟中坡体的形成主要经历3个阶段:首先采用文献［23］提出分层欠压法生成相对密实均匀的地基，两侧墙及底墙为无摩擦的刚性墙，顶部为自由边界，地基宽度为5m，初始高度为2.5m，颗粒总数为1.5×105．其次，试样需要在1/6g重力场下完成固结平衡，来模拟真实月面环境下地应力水平，固结完成后地基中水平应力及孔隙比分布如图3所示，可知固结平衡后的地基初始应力数值解和理论解基本一致，且孔隙比分布均匀．最后，需要对地基进行切坡处理，此处选取初始坡角为60°，略大于月陆地区的极值55.7°，在其重力场下自由滑塌过程，这有助于模拟可能出现最危险的滑坡灾害．在具有月壤特性的坡体形成后，坡体需要分别在地面环境(1g)、不考虑范德华力月面环境或称简化月面环境(1/6g)及月面环境(1/6g+范德华力)下完成滑坡试验，达到系统的第2次平衡，同时记录滑坡过程的微观信息．为了保证月壤材料性质不变，同时保证破坏过程只有单一重力场，坡体破坏的触发方法既不是强度折减法也不是重力增加法，仅仅

5.7°，在其重力场下自由滑塌过程，这有助于模拟可能出现最危险的滑坡灾害．在具有月壤特性的坡体形成后，坡体需要分别在地面环境(1g)、不考虑范德华力月面环境或称简化月面环境(1/6g)及月面环境(1/6g+范德华力)下完成滑坡试验，达到系统的第2次平衡，同时记录滑坡过程的微观信息．为了保证月壤材料性质不变，同时保证破坏过程只有单一重力场，坡体破坏的触发方法既不是强度折减法也不是重力增加法，仅仅只是高坡角下自重滑塌．图2数值模拟中边坡模型Fig．2TheslopemodelinDEManalyses图31/6重力场下地基初始应力水平及孔隙比分布Fig．3Distributionofinitialstressandvoidratiointhegroundunder1/6g3模拟结果分析3.1变形图图4给出了地面环境和月面环境下滑坡过程变形示意图．无论地面环境还是月面环境都经历3个阶段:启滑阶段、滑动阶段及稳定阶段．启滑阶段，地面环境与月面环境下滑坡临空面出现轻微的滑动，几乎看不出明显的差异．滑动阶段，通过网格变形能够看出大致的滑动面，地面环境的滑坡体区域比月面环境下滑坡体区域大，这是因为地面环境的重力场为1g，远大于月面环境下的重力场1/6g，较高的重力场使得颗粒具有的势能越大，下滑过程做功也越大，影响的范围也越大．通过将滑坡体表面局部放大，发现月面环境下滑坡体的滑坡表面较为粗糙，出现微小的张拉裂隙．这主要是因为月面环境下颗粒之间因范德华力作用，能够相互吸引，抱成团簇顺坡滚动，带走部分黏附颗粒，使得其临空滑动面坑坑洼洼，表面粗糙，而地面环境下模拟月壤颗粒之间摩擦力很小，呈现散粒体的滑动，表面容易形成光滑面．更进一步，月面环境下滑坡体倾斜角度比地面环境下要更为陡峭，

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于本体的地理空间对象多尺度模型[J]. 杨耀明,汤晓安,周莉,韩兴宇.  郑州大学学报(理学版). 2017(03)
[2]模拟月壤颗粒形状特征及其对抗剪强度影响分析[J]. 林呈祥,钟世英,凌道盛.  东北大学学报(自然科学版). 2016(11)
[3]月壤水平推剪试验的离散元数值分析[J]. 蒋明镜,奚邦禄,申志福,戴永生.  地下空间与工程学报. 2016(03)
[4]月球雨海地区三个着陆点的地质特征对比研究[J]. 乔乐,刘小倩,赵健楠,魏榆,肖龙.  中国科学:物理学 力学 天文学. 2016(02)
[5]不同重力下月壤水平推剪阻力离散元数值分析[J]. 蒋明镜,奚邦禄,申志福,戴永生.  岩土工程学报. 2015(07)
[6]月球正面撞击坑的空间分布特征分析[J]. 周增坡,程维明,万丛,侯琳.  地球信息科学学报. 2012(05)
[7]简化接触模型的月壤离散元数值分析[J]. 郑敏,蒋明镜,申志福.  岩土力学. 2011(S1)
[8]我国月球探测的总体科学目标与发展战略[J]. 欧阳自远.  地球科学进展. 2004(03)



本文编号：3436932