Hydraulic gradient based low-gravity simulation system for geomaterials

岩土工程 离散元法 流体静力平衡 工程类 三轴剪切试验 直剪试验 地质学 渗透试验 液压头 工作(物理) 相容性(地球化学) 剪切(地质) 计算机模拟 相似 孔隙水压力 校准 粒状材料 岩土工程 实验数据 抗剪强度(土壤) 试验数据 仪表(计算机编程) 地球引力 风化土 失效模式及影响分析
作者
Zhu Dongliang,Hao Wang,Jian Chu,Xiaohui Cheng,Huafu Pei,Qing Yang
出处
期刊:Canadian Geotechnical Journal [NRC Research Press]
卷期号:63: 1-19
标识
DOI:10.1139/cgj-2025-0559
摘要

Low-gravity experimental simulation is essential for advancing extraterrestrial geotechnical research, yet existing techniques face limitations in cost, duration, and scalability. This study presents a novel ground-based low-gravity system founded on the Hydraulic Gradient Similitude Method (HGSM), which applies the upward seepage force to counteract gravity. A first-generation small-scale apparatus was developed by simply modifying a conventional triaxial system, integrating a precision-controlled water supply system, a kaolin-boundary-modified triaxial chamber, and a cone penetration test (CPT) module. Key innovations include (1) stable low-gravity environments (>72 h) with a gravity ratio ( γ * ) adjustable from 1/6 (lunar gravity) to 1 (terrestrial gravity); (2) compatibility with conventional granular materials (e.g., quartz sands and lunar regolith simulants); and (3) high measurement precision validated through calibration tests. Experimental results confirmed the capability of the system to simulate low-gravity CPT responses, indicating notable changes in shear resistance mechanisms under reduced gravity. Comparative analysis with existing experimental data and discrete element simulations of CPT under low gravity further demonstrated the system’s reliability. This work provides a cost-effective, long-duration platform for simulating quasi-static geotechnical processes in low-gravity environments, offering a promising solution for pre-mission equipment testing and data interpretation in extraterrestrial exploration.
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