發(fā)布時間：2020-09-17 20:46

　　 重力場作為工程領(lǐng)域最主要的、甚至是唯一的荷載來源,其引起的應(yīng)力梯度廣泛存在于地球巖土工程以及以星球基地建設(shè)和資源開采為主要目標(biāo)的深空星壤工程中。然而,受限于理論體系缺乏、試驗手段不足等因素,目前重力引起的應(yīng)力梯度還沒有得到巖土工程界的足夠重視。本文圍繞“顆粒介質(zhì)在重力引起的應(yīng)力梯度作用下的力學(xué)行為”關(guān)鍵科學(xué)問題,從力學(xué)理論模型、數(shù)值單元試驗、模型試驗方法及模型試驗四個方面進行了系統(tǒng)研究。首先,針對經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論體系無法描述重力引起的應(yīng)力梯度對顆粒介質(zhì)本征力學(xué)行為影響的局限,引入代表性體積單元的概念,基于均質(zhì)化理論將非均質(zhì)非連續(xù)顆粒介質(zhì)等效為應(yīng)力梯度連續(xù)介質(zhì),并進一步建立了一種包含平衡方程、幾何方程、邊界條件及本構(gòu)方程的高階連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型,同時給出了基于代表性體積單元的本構(gòu)響應(yīng)獲取顆粒介質(zhì)本征本構(gòu)關(guān)系的方法。其次,在所構(gòu)建的高階連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型的理論框架下,針對大主應(yīng)力與重力方向重合且不考慮k_0固結(jié)的情形,進行了不同重力場和圍壓條件下代表性體積單元的數(shù)值單元試驗,研究了應(yīng)力梯度對顆粒介質(zhì)本征力學(xué)行為的影響。結(jié)果表明,重力引起的應(yīng)力梯度對顆粒介質(zhì)等壓固結(jié)特征、三軸剪切強度、彈性模量、內(nèi)摩擦角、體積應(yīng)變及臨界狀態(tài)力學(xué)行為均具有顯著影響,且其影響與圍壓間存在耦合效應(yīng)。進一步通過細觀力學(xué)響應(yīng)分析發(fā)現(xiàn),重力敏感型顆粒導(dǎo)致孔胞的模、拉伸率及取向角等細觀力學(xué)參數(shù)均呈現(xiàn)出重力場相關(guān)性,進一步引起顆粒骨架體系和微剪切帶呈現(xiàn)出重力場相關(guān)的演化,最終造成了宏觀力學(xué)響應(yīng)的應(yīng)力梯度依賴性。進一步,分別考慮單元高度變化和顆粒尺寸變化引起的尺度效應(yīng),進行了不同重力場條件下不同尺度代表性體積單元的數(shù)值單元試驗,研究了應(yīng)力梯度作用下顆粒介質(zhì)尺度相關(guān)的本征力學(xué)行為。結(jié)果表明,不同重力場條件下尺度及其起源對壓固結(jié)特性沒有顯著影響;三軸壓縮過程中尺度對剪切強度、內(nèi)摩擦角、彈性模量、體積應(yīng)變和臨界狀態(tài)力學(xué)行為均具有顯著影響,施加應(yīng)力梯度導(dǎo)致以上力學(xué)行為呈現(xiàn)出尺度起源相關(guān)性,且顆粒尺寸越大其影響越大。細觀層面,重力場的增加導(dǎo)致孔胞模、拉伸率、取向角及力鏈骨架和微剪切帶均呈現(xiàn)出尺度及尺度起源相關(guān)的復(fù)雜演化,最終導(dǎo)致了宏觀力學(xué)響應(yīng)的尺度效應(yīng)。同時,針對現(xiàn)有重力場模擬手段無法滿足重力引起的應(yīng)力梯度對顆粒介質(zhì)模型尺度力學(xué)響應(yīng)研究的情形,基于磁力場模擬重力場的思想,系統(tǒng)地構(gòu)建了涵蓋“基礎(chǔ)理論-試驗設(shè)備-模型材料”的土工磁擬重力場模型試驗方法,研制了可在Φ95×160mm圓柱形試驗空間持續(xù)模擬0-20 min強度為0-10g重力場環(huán)境的試驗系統(tǒng),制備了系列磁敏性顆粒介質(zhì)并研究了其磁化及磁重力特性。最后,基于土工磁擬重力場模型試驗方法,通過活動門試驗從模型尺度進一步研究了重力引起的應(yīng)力梯度對顆粒介質(zhì)力學(xué)響應(yīng)的影響,并結(jié)合數(shù)值單元試驗結(jié)果建立了同時考慮應(yīng)力梯度和應(yīng)力水平影響的土壓力計算模型。綜合模型試驗和理論模型進一步探討了應(yīng)力梯度和應(yīng)力水平對顆粒介質(zhì)模型尺度力學(xué)響應(yīng)影響的差異性。結(jié)果表明,考慮應(yīng)力梯度時歸一化土壓力理論預(yù)測值才能夠更好地吻合實測值,且應(yīng)力梯度的影響要遠大于應(yīng)力水平。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TU43
【部分圖文】：

圖 1-1 多級施加面力模擬應(yīng)力梯度的試驗設(shè)備 (廖璐璐, 2014)Figure 1-1 Equipment which generates stress gradient by sectional loading in boundaries (Liao, 2014)1.4.2 施加重力場實現(xiàn)應(yīng)力梯度通過施加重力場在物理模型或試樣中實現(xiàn)應(yīng)力梯度的試驗方法主要包括：1）超重力場(>1g)模擬，包括離心模型試驗方法、基底摩擦試驗方法及滲水力模型試驗方法等；2）微、小重力場 (0-1g)模擬，包括“空基”方法和“陸基”方法。（一）離心模型試驗方法離心模型試驗方法采用土工離心機高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心加速度來模擬重力加速度，是巖土工程領(lǐng)域最為廣泛應(yīng)用的 1-ng 重力場模擬方法。如圖 1-2 所示，基于該方法模擬的重力場相似常數(shù)可表示為：2 cc( R z)S g(1-2)式中， 為旋轉(zhuǎn)角速度，Rc為離心機臂長。作用于模型內(nèi) z 處的應(yīng)力水平為：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 施加重力場實現(xiàn)應(yīng)力梯度通過施加重力場在物理模型或試樣中實現(xiàn)應(yīng)力梯度的試驗方法主要包括：1）超重力場(>1g)模擬，包括離心模型試驗方法、基底摩擦試驗方法及滲水力模型試驗方法等；2）微、小重力場 (0-1g)模擬，包括“空基”方法和“陸基”方法。（一）離心模型試驗方法離心模型試驗方法采用土工離心機高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心加速度來模擬重力加速度，是巖土工程領(lǐng)域最為廣泛應(yīng)用的 1-ng 重力場模擬方法。如圖 1-2 所示，基于該方法模擬的重力場相似常數(shù)可表示為：2 cc( R z)S g(1-2)式中， 為旋轉(zhuǎn)角速度，Rc為離心機臂長。作用于模型內(nèi) z 處的應(yīng)力水平為：2 cx y 0 z( )zR z zk (1-3)式中，ρ 為模型密度，k0為靜止側(cè)壓力系數(shù)。

離心力等勢線并不相互平行[129]；ii）離心力場具有空間不均勻性[130]；iii）高速旋轉(zhuǎn)的試驗環(huán)境使得模擬動態(tài)開挖、營造等工況具有極大難度，且導(dǎo)致測量元器件等的精度和穩(wěn)定性降低；iv）難以應(yīng)用于深部井筒等大長徑（厚）比結(jié)構(gòu)的研究。（二）基底摩擦模型試驗方法基底摩擦模型試驗方法通過放置于可移動平面上的物理模型的底面與平面作相對運動產(chǎn)生摩擦力來模擬重力場，理論上可模擬 0-ng 重力場。如圖 1-3，其試驗裝置主要由無級傳動帶和動力及變速機構(gòu)組成�；谠摲椒M的重力場相似常數(shù)可表示為：mb u( p / h)S (1-4)式中，μ 為摩擦系數(shù)，γ 為容重，hm為模型厚度，pu為模型上的均布壓力。作用于模型內(nèi) z 處的應(yīng)力水平為：mux z y( / )( )z p h z (1-5)式中，ν 為泊松比。

本文編號：2821215