微重力环境下岩土颗粒流动性态研究

本项目根据我国空间科技发展需求，针对当前缺乏微重力环境下岩土特性研究的现状，以空心扭剪三轴试验、落塔模型试验为基础，开展微重力环境下的岩土颗粒流动性态研究,分析流动特征及其规律，并采用光滑粒子流体动力学（简称SPH）方法进行相关数值模拟。首先，进行不同有效围压条件下的土样循环扭剪三轴试验，以分析重力环境变化对岩土颗粒力学性质的影响；然后，开展落塔模型试验研究，采集微重力条件下岩土颗粒流动变形过程的动态反应数据，捕捉流速、冲击力及流动构型；再针对不同重力环境下的岩土颗粒流动运动问题，进行跨尺度SPH计算方法研究，与试验数据进行对比验证，建立微重力环境下岩土颗粒流动问题的高性能数值模拟方法。其研究成果将有助于揭示微重力环境下岩土颗粒的流动性态及动力演化机理，有力推动工程地质科学在空间科技，尤其是宇宙空间建设工程中的应用与创新，具有重要的科学理论价值及工程应用前景。

本项目根据我国空间科技发展需求，针对当前缺乏微重力环境下岩土特性研究的现状，以空心扭剪三轴试验、动力和静力三轴试验为基础，采用中国科学院国家微重力实验室落塔试验系统（总高116米），开展了微重力环境下的岩土颗粒流动性态试验研究，分析总结了流动特征及其规律；同时，基于光滑粒子流体动力学（简称 SPH）方法进行相关数值模拟，建立了微重力环境下岩土颗粒流动问题的高性能数值模拟方法。. 首先，完成了不同有效围压条件下的土样循环扭剪三轴试验和中低围压状态下的动、静三轴试验，揭示了不同围压下岩土颗粒力学性质的变化规律；自主研发了适用于微重力环境下的岩土颗粒流动特性研究的若干关键技术，即：用于落塔平台的砂土流动模型试验系统（国家发明专利申请号20121057859.3）、一种岩土材料流滑灾变的计算模拟方法（国家发明专利申请号201210292028.8）、一种工程用模拟月壤的材料（国家发明专利申请号201310483017.2）；成功开展了落塔模型试验研究，通过高速摄像系统获取了微重力条件下的岩土颗粒流动变形的运动过程及其在整个流动过程的动力反应记录，分析了重力场变化对岩土颗粒材料流动速率、持续时间、流动范围的影响；研究并发现了微重力环境下岩土颗粒流动中的类液气相变等流动特性，揭示了类液气相变的位置形态、形成机理；针对不同重力环境下岩土颗粒流动运动问题，进行了高性能SPH 计算方法研究，计算模拟了岩土颗粒流动过程中的构型发展趋势及运动变化规律；经对比验证，数值模拟得到的岩土颗粒流动过程与落塔模型试验规律基本一致，最终建立了微重力环境下岩土颗粒流动问题的高性能数值模拟方法。. 本项目已发表国际SCI期刊论文11篇、EI论文3篇，充分体现了本研究成果的国际认可度与创新性。有关研究成果有助于揭示微重力环境下岩土颗粒的流动性态及动力演化机理，有力推动工程地质科学在空间科技，尤其是宇宙空间建设工程中的应用与创新，具有重要的科学理论价值及工程应用前景。