模拟月壤的本构模型及其试验验证

探月工程具有重要的国家战略意义。因真实月壤很珍贵，在地球上研制月球车、钻探取样和月球基地建设等，常需采用模拟月壤代替真实月壤进行研究。因此，在地球上制取与真实月壤主要物理力学性质相似的模拟月壤，并对其进行深入系统的试验研究，发展较好地描述模拟月壤变形特性的本构模型，研究工作具有明确的工程应用背景和重要的理论意义。.本项目拟通过一系列土力学试验，研制能够较好地模拟真实月壤颗粒形状、颗粒粒径分布、粘聚力及内摩擦角等主要物理力学性质的模拟月壤；根据月球重力加速度较小以及月球车等探月装置与月壤的相互作用问题大多集中在月表或月面浅层、月壤常处于很低的应力水平的特点，对模拟月壤进行多种低应力水平、应力状态和应力路径的系列试验，分析模拟月壤的变形规律和变形机理；在此基础上借鉴已有的土的弹塑性本构模型的建模思路,发展适于描述模拟月壤主要力学性质的模拟月壤本构模型，并通过多种试验对模型的有效性进行验证。

本项目以CLRS （Chinese Lunar Regolith Simulant）标准样品为基本参照，研制出了能较好地模拟典型月壤物理力学性质的模拟月壤（以下称为“清华模拟月壤”，简记为“QHLRS）；根据月壤的力学特性，发展了适于描述模拟月壤主要力学特性的模拟月壤本构模型，并通过复杂应力路径的三轴试验进行验证。. (1) 对吉林省靖宇县火山灰的几种模拟月壤试样进行了一系列土力学以及其他试验，根据试验结果的对比分析，选出了最合适的模拟月壤原材料，按照一定的比例配制而成典型模拟月壤，并在颗粒形状、颗粒级配上与月壤相似。在典型模拟月壤中再加入玄武岩试样，可以得到更难钻进的模拟月壤，作为钻具碰到月岩碎块的情况。. (2) 采用清华模拟月壤D样（QHLRS-D），制作74%、83%、92%三种相对密度试样，分别完成了常规围压范围（50、100、150kPa）和低围压范围（25、12.5、6.25、3.13kPa）的三轴CD试验，获得了这两种围压范围内QHLRS-D的应力~应变特性和体变特性以及强度与变形参数；全面对比了两种围压下QHLRS-D力学特性的差异，并深入分析了相对密度和围压的影响，得到如下主要结论：.1） 围压对强度指标的影响：围压越高，峰值内粘聚力越大，峰值内摩察角越小；残余内摩擦角则随着围压的增大而增大。在本次围压范围内，无论围压高低，残余粘聚力都接近于0。.2） 相对密度对强度指标的影响：相对密度越高，峰值强度指标越大，并主要体现现在对峰值内摩擦角的影响上；相对密度对残余强度指标的影响很小。.3）切线模量E、剪切模量G都随着围压和相对密度的增大而增大。.4）在低压范围（3.13~25 kPa）内，试样的泊松比由于明显的剪胀现象，均大于0.5；相对密度增大，泊松比和剪胀角增大；围压增大，泊松比和剪胀角降低，但降低速率会逐渐变缓，且表现出逐渐稳定的趋势。.5）根据本次试验数据，给出了能够考虑围压和相对密度影响的QHLRS-D模拟月壤之切线模量、剪切模量、峰值内摩察角和剪胀角的预测模型。 .(3) 基于改进Hvorslev面的超固结土统一硬化模型，对低围压下QHLRS-D模拟月壤的三轴压缩进行了本构模拟。结果表明，该模型能较好地适用于QHLRS-D模拟月壤。.(4) 完成了钻具与月壤相互作用力载的数值模拟分析。.(5) 提出了深层月壤填筑技术。