特殊性岩土——月壤的物理力学性质

王 广 程 磊

（中国矿业大学， 江苏 徐州 221116）

1 背景

外空资源开发是航空航天事业发展和空间应用的前沿领域，也是近年来国际空间外交舞台及各国航天科技界的热议话题。随着人口持续增长、地球资源的日益枯竭，人类在地球环境实现长期可持续发展将面临巨大挑战，这就需要开发潜在的月球资源。月球是距离地球最近的天体，是重要的太空资源，可作为未来太空开发的重要中转站，故探月工程是重要的太空发展任务。其中月壤是探月工程各种研究活动的物理承载基础，对于月壤的基本性质的研究是各国重要的科研课题，具有重要的科学价值和广阔的发展前景。“嫦娥探月”工程中计划的发射“嫦娥 5 号”月球探测器，将首次开展月面无人钻孔取样返回试验，为我国开展更深入的月球科学探测和建设月球空间基地奠定坚实的基础。

2 月壤的形成

月壤是月球表面覆盖着一层结构松散的混合物，其主要由岩石的碎屑、粉末以及太空外来物质撞击月球而形成的熔融玻璃等复杂物质组成的。月球上为 1/6g的小重力真空环境，无风，水，等外营力与生物等因素，所以其土壤生成条件和地球相差甚大。一般来说月壤的形成主要有三个影响因素: 1宇宙尘埃与陨石的撞击；2宇宙射线（太阳紫外线，X射线，伽马射线等）和太阳风粒子的持续轰击破坏岩石的结构；3大幅度昼夜温差导致岩石热胀冷缩从而破碎。

3 研究材料的获取

目前地球仅存在381.7kg的真实月壤，其中99%以上都掌握的美国手中，中国仅有 1g。因此，几乎所有进行的月壤性质相关试验的材料均为性质接近月壤模拟材料。国内外多所研究所均配置模拟月壤，目前国内外有以下模拟月壤：美国国家宇航局约翰逊空间中心主持研制的 JSC-1模拟月壤、美国明尼苏达大学研制的MLS-1模拟月壤以及日本所研制的FJS-1模拟月壤等。国内则是由中国科学院主持研制的CAS-1、NAO-1模拟月壤。目前磁敏性月壤的研制也是国内热门的研究课题。

4 小重力环境的模拟

目前岩土工程领域初步形成如下几种小重力场模型试验方法：土工离心试验、倾斜式模型试验、渗水力模型试验、试验飞机抛物飞行法、“落井、落塔”模型试验等，均在不同的岩土工程问题研究中取得了丰硕的成果，但也逐步显现出各自模拟重力场条件的不足与缺陷。

近期常用的实验方法为磁重力模型试验理论方法，中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室就有关于磁拟重力场模型试验系统及三轴压缩仪等设备。

磁重力模型试验方法理论采用磁拟重力场原理，建立用于月壤室内试验研究的小重力、真空环境物理试验系统。该系统可开展多种力学和工程特性试验，也可进行模拟月壤的开挖等工程模型试验，揭示月壤的力学特性，特别是其内聚力、弱抗拉强度形成机理与演化规律，为月球基地基础建设、月球资源开发等工程提供更为可靠的理论与技术支撑。

5 月壤的物理和机械特性

5.1 几何描述

颗粒的力学性质往往和其几何形状有关系。月壤颗粒的表面往往存在棱角、钩角、锯齿等不极规则结构，由于没有水，风等外营力的作用，其表面相对凹凸，大粒径颗粒往往具有蜂窝状气孔结构。月壤颗粒形状各异，长条状，类三角形，类四边形状等常见的结构使得无法用常规的几何方法去描述月壤颗粒。一般可通过对颗粒几何性质参数的描述（费雷特直径、延伸度、圆度、凹凸度等）去定义月壤颗粒。

这种几何特性使月壤或模拟月壤的摩擦角和内聚力都大于普通土壤（摩擦角在 40°-50°之间）。在阿波罗号取样时也出现随着取样深度的加深，取样如同钻岩石一样的情况。

5.2 模拟月壤的抗剪能力：

研究月壤抗剪能力可用库伦准则，实验证明CAS-1 模拟月壤的内摩擦角φ为25°～ 50°,内聚力 C 为 0.26～ 1.8 kPa。而多次平均测量获得的 CAS-1 模拟月壤的内摩擦角φ= 33.3°,内聚力 C= 1.0 kPa,与月壤在抗剪性能方面是相似的。而同时测得的地球红壤(采自贵阳花溪和平坝两地)分别为φ= 37.2°,C= 10 kPa 和φ=35.5°,C= 12kPa。

可以得出到在干燥状态下月壤的内摩擦角变化范围很大，这主要是和月壤的表面多棱角、钩角、锯齿等不规则结构，则其内摩擦角很大（可达到 50°以上），如果形态城圆形则摩擦角偏小。其内聚力仅 0.26-1kPa，这是因为月壤土壤含水量几乎为 0，没有风化作用、生物活动和水的作用是土壤颗粒之间联络物极少，故内聚力很低。

5.3 月壤的压缩性

月壤的孔隙比e是指月壤中孔隙体积与颗粒体积之比,用小数表示。天然状态下月壤的孔隙比是一个重要的物理性指标,可以用来评价月壤的密实程度。一般e<0.6的月壤是密实的低压缩性月壤,e>1.0的月壤是疏松的高压缩性月壤。一般而言,地球上粘性土的孔隙率为30%～ 60% ,无粘性土为25%～ 45%，而月球孔隙率在50%左右[7]。