特殊性巖土
——月壤的物理力學(xué)性質(zhì)

王 廣 程 磊

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)， 江蘇 徐州 221116）

1 背景

外空資源開發(fā)是航空航天事業(yè)發(fā)展和空間應(yīng)用的前沿領(lǐng)域，也是近年來(lái)國(guó)際空間外交舞臺(tái)及各國(guó)航天科技界的熱議話題。隨著人口持續(xù)增長(zhǎng)、地球資源的日益枯竭，人類在地球環(huán)境實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展將面臨巨大挑戰(zhàn)，這就需要開發(fā)潛在的月球資源。月球是距離地球最近的天體，是重要的太空資源，可作為未來(lái)太空開發(fā)的重要中轉(zhuǎn)站，故探月工程是重要的太空發(fā)展任務(wù)。其中月壤是探月工程各種研究活動(dòng)的物理承載基礎(chǔ)，對(duì)于月壤的基本性質(zhì)的研究是各國(guó)重要的科研課題，具有重要的科學(xué)價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。“嫦娥探月”工程中計(jì)劃的發(fā)射“嫦娥 5 號(hào)”月球探測(cè)器，將首次開展月面無(wú)人鉆孔取樣返回試驗(yàn)，為我國(guó)開展更深入的月球科學(xué)探測(cè)和建設(shè)月球空間基地奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 月壤的形成

月壤是月球表面覆蓋著一層結(jié)構(gòu)松散的混合物，其主要由巖石的碎屑、粉末以及太空外來(lái)物質(zhì)撞擊月球而形成的熔融玻璃等復(fù)雜物質(zhì)組成的。月球上為 1/6g的小重力真空環(huán)境，無(wú)風(fēng)，水，等外營(yíng)力與生物等因素，所以其土壤生成條件和地球相差甚大。一般來(lái)說(shuō)月壤的形成主要有三個(gè)影響因素: 1宇宙塵埃與隕石的撞擊；2宇宙射線（太陽(yáng)紫外線，X射線，伽馬射線等）和太陽(yáng)風(fēng)粒子的持續(xù)轟擊破壞巖石的結(jié)構(gòu)；3大幅度晝夜溫差導(dǎo)致巖石熱脹冷縮從而破碎。

3 研究材料的獲取

目前地球僅存在381.7kg的真實(shí)月壤，其中99%以上都掌握的美國(guó)手中，中國(guó)僅有 1g。因此，幾乎所有進(jìn)行的月壤性質(zhì)相關(guān)試驗(yàn)的材料均為性質(zhì)接近月壤模擬材料。國(guó)內(nèi)外多所研究所均配置模擬月壤，目前國(guó)內(nèi)外有以下模擬月壤：美國(guó)國(guó)家宇航局約翰遜空間中心主持研制的 JSC-1模擬月壤、美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)研制的MLS-1模擬月壤以及日本所研制的FJS-1模擬月壤等。國(guó)內(nèi)則是由中國(guó)科學(xué)院主持研制的CAS-1、NAO-1模擬月壤。目前磁敏性月壤的研制也是國(guó)內(nèi)熱門的研究課題。

4 小重力環(huán)境的模擬

目前巖土工程領(lǐng)域初步形成如下幾種小重力場(chǎng)模型試驗(yàn)方法：土工離心試驗(yàn)、傾斜式模型試驗(yàn)、滲水力模型試驗(yàn)、試驗(yàn)飛機(jī)拋物飛行法、“落井、落塔”模型試驗(yàn)等，均在不同的巖土工程問(wèn)題研究中取得了豐碩的成果，但也逐步顯現(xiàn)出各自模擬重力場(chǎng)條件的不足與缺陷。

近期常用的實(shí)驗(yàn)方法為磁重力模型試驗(yàn)理論方法，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室就有關(guān)于磁擬重力場(chǎng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)及三軸壓縮儀等設(shè)備。

磁重力模型試驗(yàn)方法理論采用磁擬重力場(chǎng)原理，建立用于月壤室內(nèi)試驗(yàn)研究的小重力、真空環(huán)境物理試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可開展多種力學(xué)和工程特性試驗(yàn)，也可進(jìn)行模擬月壤的開挖等工程模型試驗(yàn)，揭示月壤的力學(xué)特性，特別是其內(nèi)聚力、弱抗拉強(qiáng)度形成機(jī)理與演化規(guī)律，為月球基地基礎(chǔ)建設(shè)、月球資源開發(fā)等工程提供更為可靠的理論與技術(shù)支撐。

5 月壤的物理和機(jī)械特性

5.1 幾何描述

顆粒的力學(xué)性質(zhì)往往和其幾何形狀有關(guān)系。月壤顆粒的表面往往存在棱角、鉤角、鋸齒等不極規(guī)則結(jié)構(gòu)，由于沒(méi)有水，風(fēng)等外營(yíng)力的作用，其表面相對(duì)凹凸，大粒徑顆粒往往具有蜂窩狀氣孔結(jié)構(gòu)。月壤顆粒形狀各異，長(zhǎng)條狀，類三角形，類四邊形狀等常見的結(jié)構(gòu)使得無(wú)法用常規(guī)的幾何方法去描述月壤顆粒。一般可通過(guò)對(duì)顆粒幾何性質(zhì)參數(shù)的描述（費(fèi)雷特直徑、延伸度、圓度、凹凸度等）去定義月壤顆粒。

這種幾何特性使月壤或模擬月壤的摩擦角和內(nèi)聚力都大于普通土壤（摩擦角在 40°-50°之間）。在阿波羅號(hào)取樣時(shí)也出現(xiàn)隨著取樣深度的加深，取樣如同鉆巖石一樣的情況。

5.2 模擬月壤的抗剪能力：

研究月壤抗剪能力可用庫(kù)倫準(zhǔn)則，實(shí)驗(yàn)證明CAS-1 模擬月壤的內(nèi)摩擦角φ為25°～ 50°,內(nèi)聚力 C 為 0.26～ 1.8 kPa。而多次平均測(cè)量獲得的 CAS-1 模擬月壤的內(nèi)摩擦角φ= 33.3°,內(nèi)聚力 C= 1.0 kPa,與月壤在抗剪性能方面是相似的。而同時(shí)測(cè)得的地球紅壤(采自貴陽(yáng)花溪和平壩兩地)分別為φ= 37.2°,C= 10 kPa 和φ=35.5°,C= 12kPa。

可以得出到在干燥狀態(tài)下月壤的內(nèi)摩擦角變化范圍很大，這主要是和月壤的表面多棱角、鉤角、鋸齒等不規(guī)則結(jié)構(gòu)，則其內(nèi)摩擦角很大（可達(dá)到 50°以上），如果形態(tài)城圓形則摩擦角偏小。其內(nèi)聚力僅 0.26-1kPa，這是因?yàn)樵氯劳寥篮繋缀鯙?0，沒(méi)有風(fēng)化作用、生物活動(dòng)和水的作用是土壤顆粒之間聯(lián)絡(luò)物極少，故內(nèi)聚力很低。

5.3 月壤的壓縮性

月壤的孔隙比e是指月壤中孔隙體積與顆粒體積之比,用小數(shù)表示。天然狀態(tài)下月壤的孔隙比是一個(gè)重要的物理性指標(biāo),可以用來(lái)評(píng)價(jià)月壤的密實(shí)程度。一般e<0.6的月壤是密實(shí)的低壓縮性月壤,e>1.0的月壤是疏松的高壓縮性月壤。一般而言,地球上粘性土的孔隙率為30%～ 60% ,無(wú)粘性土為25%～ 45%，而月球孔隙率在50%左右[7]。