CN103235109B - 一种低重力环境下模拟月壤力学性能的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低重力环境下模拟月壤力学性能的测定方法，该方法是使用专用的低重力环境模拟装置，通过倾斜试验台面，在分力方向模拟低重力环境，倾斜过程中产生的各种分力与倾斜角度相关；模拟过程中通过散粒体体力分布试验对土体内部受力状态进行检测，以作为模拟月壤力学性能测定试验的基础试验；用以评估模拟月壤在1g重力场和低重力场下的力学性能参数，包括有沉陷指数n，内聚变形模量K_C，摩擦变形模量K_φ，内摩擦角φ，内聚力c，圆锥指数CI值。上述参数可以通过模拟月壤承压特性实验、剪切特性试验、贯入特性试验获得。本发明利用专用的低重力环境模拟试验装置，同时完成1g地面重力环境和低重力环境下模拟土壤力学参数的测试，以对比分析不同重力场下月壤的力学特性的差异，揭示深空重力环境下土壤机器的相互作用关系。

Description

一种低重力环境下模拟月壤力学性能的测定方法

技术领域

本发明涉及到土工试验方面的技术领域。具体来说，涉及一种低重力环境下模拟月壤力学性能的测定方法。

背景技术

月壤处于月表，与地球土壤的形成过程不同，是在O₂，水等都不存在的情况下通过撞击、轰击等过程形成，具有松散、非固结、细颗粒的特点。

月表重力环境是地面重力的1/6，低重力环境使得月壤颗粒间的束缚力小于地表环境下模拟月壤颗粒间的束缚力，进而影响月壤的承压、抗剪切等性能。为保证月面巡视探测、采样和软着陆等任务顺利开展，有必要研究1g重力场和低重力场下月壤力学性质的差异。

目前，国内外针低重力环境对模拟月壤力学性能影响的研究方法有：飞机抛物线飞行法、落塔法、重力补偿法（悬吊法）、轻质土壤法、分力法和仿真法等。其中，飞机抛物线飞行法和落塔法，试验价格昂贵，获得低重力环境时间短、性能不稳定，可重现性差，且能够完成的试验种类及次数有限；重力补偿法（悬吊法）不适合研究低重力环境下月壤的力学性能；轻质土壤法难以找到适当的轻质材料作为制备模拟月壤的原料；计算机仿真法强烈依赖基本模型及可以对比的试验数据，而可用、可靠的试验数据相当有限。

综上所述，现有模拟月壤力学性能的测试方法，难以研究低重力环境对模拟月壤力学性能的影响。为弥补以上方法的不足，本发明利用专用的低重力环境模拟试验装置，同时完成1g地面重力环境和低重力环境下模拟土壤力学参数的测试，以对比分析不同重力场下月壤的力学特性的差异，揭示深空重力环境下土壤机器的相互作用关系。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种测定低重力环境下模拟月壤力学行为的试验方法，以便更为准确地评价低重力环境对模拟月壤力学性能的影响。该试验方法费用低，试验设备稳定、试验时间不受限制、试验可重现性高、试验结果可靠真实、试验数据精度较高。

本发明利用专用的低重力环境模拟试验装置，同时完成1g地面重力环境和低重力环境下模拟土壤力学参数的测试，以对比分析不同重力场下月壤的力学特性的差异，揭示深空重力环境下土壤机器的相互作用关系。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

使用专用的低重力环境模拟装置，通过倾斜试验台面，在分力方向模拟低重力环境，倾斜过程中产生的各种分力与倾斜角度相关；模拟过程中通过散粒体体力分布试验对土体内部受力状态进行检测，以作为模拟月壤力学性能测定试验的基础试验；用以评估模拟月壤在1g重力场和低重力场下的力学性能参数，包括有沉陷指数n，内聚变形模量K_C，摩擦变形模量K_φ，内摩擦角φ，内聚力c，圆锥指数CI值；上述参数可以通过模拟月壤承压特性实验、剪切特性试验、贯入特性试验获得。

（1） 散粒体体力分布试验是一种测定土体内部受力状态的试验，试验方法包括以下步骤：

（1.1）不同紧实状态的模拟月壤整备方法：采用多次翻松、分层轻压、分层反复压实等整备方法，使模拟月壤表现出不同的紧实状态，利用称量法测定模拟月壤在不同紧实状态下的容重，并通过计算得到模拟月壤的孔隙度和孔隙率，用以衡量月壤的紧实状态；

（1.2）试验利用300×300×300mm的土槽盛装模拟月壤，并将土槽放在低重力环境模拟试验装置的可倾斜L型板上；试验前，根据需要，在土槽内的不同试验点埋置压力传感器；按照模拟月壤的不同紧实状态预先称量好所需的模拟月壤的质量，并采用（1）中的整备方法，分层整备模拟月壤，同时逐层逐点埋放压力传感器，以测定不同紧实度下的模拟月壤土体内部压力分布情况；

（1.3）试验时，通过涡轮减速机使试验台的可倾斜底板带动L型板和搭载在L型板上的试验土槽倾斜至所需的角度，静止2min，待土槽内的土壤达到新的稳态后，通过数据移动采集系统采集不同倾斜角度下模拟月壤在不同试验点的轴向分力及侧向分力，得到模拟月壤在不同倾斜角度下的土体内部压力分布情况；

（1.4）每一个试验样品重新整备，重复上述试验方法进行散粒体体力分布试验;

（2） 模拟月壤承压特性试验的试验方法包括以下步骤：

（2.1）试验利用300×300×300mm的土槽装满模拟月壤，按照（1.1）所述的整备方法整备好不同紧实状态的模拟月壤，放在试验台的L型板上；

（2.2） 试验选用不同半径的钢性圆形压板；试验前，通过压缩电机带动钢性圆形压板下压至模拟月壤的表面后，加盖；通过涡轮减速机使试验台的可倾斜底板带动L型板和搭载在L型板上的试验土槽倾斜至所需的角度，静止2min，使土槽内的土壤达到新的稳态。

（2.3）试验时，通过压缩电机带动钢性圆形压板下压，达到预定压力后，自动停止下压，通过测控装置采集不同倾斜角度下，模拟月壤的力-位移变化曲线；

（2.4）每一个试验样品重新整备，重复上述试验方法进行承压特性试验；

（2.5）采用Bekker承压模型计算得到沉陷指数n，内聚变形模量K_C，摩擦变形模量K_φ；

（3）模拟月壤抗剪切特性试验的试验方法包括以下步骤：

（3.1）试验所采用的剪切箱分为剪切上箱和剪切下箱，其中剪切上箱固定在试验台的底板上，剪切下箱连有滚珠，搭载在L型板上且可以移动；剪切上箱和剪切下箱的尺寸相同，均为260mm×260mm×200mm；剪切上箱和剪切下箱通过定位销固定在一起，总体容积为：2×200mm(h)×25434mm²，箱体可盛装土壤的部分横截面是半径为90mm的圆；采用（1.1）所述的整备方法，在直剪箱内整备出不同紧实度的试验样品；

（3.2）试验前，设定需要加载的轴向压力，通过压缩电机带动半径为90mm的钢性圆形压板下压至模拟月壤，压力达到预设压力后，自动停止下压，并保持轴向加载压力；通过涡轮减速机使试验台的可倾斜底板带动试验用直剪箱倾斜至所需的角度，静止2min，使土槽内的土壤达到新的稳态；

（3.3）试验时，通过剪切电机推动剪切下箱匀速移动，通过测控装置采集推动过程中，不同倾斜角度下，模拟月壤力-位移变化曲线；

（3.4）试验预设两组载荷，分别为大载荷组和小载荷组，每组载荷包括四个级别的轴向加载压力；试验同时需要测定不同倾斜状态下，空载时，剪切上箱和剪切下箱以及剪切下箱和L型板所产生的摩擦力，并在数据处理时予以剔除，以获得不同倾斜角度下土壤面的剪切力；每一个试验样品重新整备，重复上述试验方法进行抗剪切特性试验；

（3.5）采用摩尔-库伦模型计算得到内摩擦角φ，内聚力c；

（4）模拟月壤贯入特性试验的试验方法包括以下步骤：

（4.1）试验利用300×300×300mm的土槽装满模拟月壤，按照（1.1）所述的整备方法整备好不同紧实状态的模拟月壤，放在试验台的L型板上；

（4.2）试验选用不同半径的钢性锥头，并设计不同的下压试验点；试验前，对试验土槽加盖，需要在土槽盖上根据锥头尺寸和压点位置钻出圆孔并安装可以活动的挡片随时开启或关闭某一圆孔；通过涡轮减速机使试验台的可倾斜底板带动L型板和搭载在L型板上的试验土槽倾斜至所需的角度；

（4.3）通过调整上联板上的梯形丝杠带动压缩电机左右移动，通过调整下联板上的梯形丝杠带动L型板前后移动，以使连接在压缩电机上的钢性锥头正好对准压点；通过压缩电机带动锥头下压至箱盖表面，静止2min，使土槽内的土壤达到新的稳态；

（4.4）试验时，移开挡板，压缩电机会带动钢性锥头下压，达到所需压下深度后停止下压，通过测控装置采集不同倾斜角度下，模拟月壤的力-位移变化曲线；完成数据采集后，令压缩电机带动锥头退回后，重新拨动挡板挡住本次试验的下压点，完成一次数据采集；通过调整梯形丝杠，使得锥头对准下一个试验下压点，通过压缩电机带动锥头下压至箱盖表面，静止2min后，重复上述的步骤直至完成全部试验点的贯入特性试验；有五个试验压入点，即每整备一次模拟月壤，可采集五组力-位移数据；

（4.5）每一个试验样品重新整备，重复上述试验方法进行贯入特性试验。

（4.6）通过数据处理获得圆锥指数CI值。

本发明的有益效果：

1、本发明利用专用的低重力环境模拟试验装置，同时完成1g地面重力环境和低重力环境下模拟土壤力学参数的测试，以对比分析不同重力场下月壤的力学特性的差异，揭示深空重力环境下土壤机器的相互作用关系。

2、该试验方法费用低，试验设备稳定、试验时间不受限制、试验可重现性高、试验结果可靠真实、试验数据精度较高。

附图说明

图1为本发明所使用的专用低重力环境模拟装置的主视图。

图2为本发明所使用的专用低重力环境模拟装置的左视图。

图3为本发明所使用的专用低重力环境模拟装置的俯视图。

图4为散粒体体力分布试验中垂直状态下轴向力测定时压力传感器埋放示意图。

图5为散粒体体力分布试验中倾斜状态下侧向力测定时压力传感器埋放示意图。

图6为本发明第一实施例中剪切箱内试验点的平面排布图。

图7为本发明第一实施例中JLU-1模拟月壤在松散状态下试验数据同轴向力拟合方程计算结果的对比图。

图8为本发明第二实施例中剪切箱内压锥压点的平面排布示意图。

图9为本发明第二实施例中1g重力场下，JLU-1松散状态和自然状态下的CI值比对图。

图10为本发明第二实施例中1g重力场和松散状态下，JLU-1、JLU-2模拟月壤的CI值比对图。

图11为本发明第二实施例中1g重力场和松散状态下，JLU-1模拟月壤在不同下压点的CI值。

图12为本发明第二实施例中1g重力场和松散状态下，利用不同型号压锥得到的JLU-1模拟月壤的CI值。

图13为本发明第二实施例中松散状态下，JLU-1模拟月壤在不同重力环境下的CI值。

具体实施方式

请参阅图1、图2和图3所示，本发明所使用的专用低重力环境模拟装置是由机架1、量角器18、电控箱21、压缩电缸6、剪切电缸7、涡轮减速机8、底板10、上联板4、L型板12和下联板13组成，机架1下方安装有四个福马脚轮2，以便移动和固定整体机构，涡轮减速机8和电控箱21分别固定在机架1的两侧，底板10一端装有转动转座19而与涡轮减速机8输出轴相连，底板10另一端通过固定转轴17与机架1相连，涡轮减速8通过轴与底板10相连；上联板4在固定底板10上，压缩电缸6通过压缩电缸底板3与上联板4相连，剪切电缸7通过电缸支板5与底板10相连，L型板12通过下联板13与底板10相连；压缩电缸底板3由梯形丝杠控制，可左右移动以达到横向移动压缩电缸6的目的；L型板12由梯形丝杠控制，可控制L型板12沿垂直于底板10方向前后移动，通过上述两个动作可以完成对L型板12上搭载的土槽的不同试验点的任意选择；压缩电缸6和剪切电缸7通过PFC限位开关20、电线与电控箱21相连。

L型板12上可装配直剪箱以完成抗剪性能试验，直剪箱是由剪切上箱11和剪切下箱14构成，其中，剪切上箱11通过剪切箱护板15以螺钉螺母固定在L型板12上，剪切下箱14装配有剪切下箱推板16，试验时由剪切电缸7带动力-位移传感器作用于剪切下箱推板16上，推动剪切下箱14移动。

L型板12上可装配土槽试验箱以完成承压特性试验、贯入特性试验、落球试验、散粒体体力分布试验、压力传递特性试验。

低重力环境模拟装置的工作原理：

在L型板12上搭载试验土槽或直剪箱，通过涡轮减速机8控制底板10倾斜至不同的角度，在不同的倾斜状态下，沿分力方向获得低重力环境，并完成模拟土壤力学性能测定的相关试验。该方法设备简单，时间不受限制，模拟得到的低重力环境稳定性高、可重现性好，倾斜过程中产生的各种分力与倾斜角读相关，数据稳定且可重复再现。适合于对低重力环境下模拟月壤力学性能的测定。

本发明之方法如下：

使用专用的低重力环境模拟装置，通过倾斜试验台面，在分力方向模拟低重力环境，倾斜过程中产生的各种分力与倾斜角度相关；模拟过程中通过散粒体体力分布试验对土体内部受力状态进行检测，以作为模拟月壤力学性能测定试验的基础试验；用以评估模拟月壤在1g重力场和低重力场下的力学性能参数，包括有沉陷指数n，内聚变形模量K_C，摩擦变形模量K_φ，内摩擦角φ，内聚力c，圆锥指数CI值。上述参数可以通过模拟月壤承压特性实验、剪切特性试验、贯入特性试验获得。

（1） 散粒体体力分布试验是一种测定土体内部受力状态的试验，试验方法包括以下步骤：

（1.1）不同紧实状态的模拟月壤整备方法：采用多次翻松、分层轻压、分层反复压实等整备方法，使模拟月壤表现出不同的紧实状态，利用称量法测定模拟月壤在不同紧实状态下的容重，并通过计算得到模拟月壤的孔隙度和孔隙率，用以衡量月壤的紧实状态；

（1.2）试验利用300×300×300mm的土槽盛装模拟月壤，并将土槽放在低重力环境模拟试验装置的可倾斜L型板上；试验前，根据需要，在土槽内的不同试验点埋置压力传感器；按照模拟月壤的不同紧实状态预先称量好所需的模拟月壤的质量，并采用（1）中的整备方法，分层整备模拟月壤，同时逐层逐点埋放压力传感器，以测定不同紧实度下的模拟月壤土体内部压力分布情况；

（1.3）试验时，通过涡轮减速机8使试验台的可倾斜底板10带动L型板12和搭载在L型板12上的试验土槽倾斜至所需的角度，静止2min，待土槽内的土壤达到新的稳态后，通过数据移动采集系统采集不同倾斜角度下模拟月壤在不同试验点的轴向分力及侧向分力，得到模拟月壤在不同倾斜角度下的土体内部压力分布情况；

（1.4）每一个试验样品重新整备，重复上述试验方法进行散粒体体力分布试验;

（2） 模拟月壤承压特性试验的试验方法包括以下步骤：

（2.1）试验利用300×300×300mm的土槽装满模拟月壤，按照（1.1）所述的整备方法整备好不同紧实状态的模拟月壤，放在试验台的L型板12上；

（2.2） 试验选用不同半径的钢性圆形压板；试验前，通过压缩电机带动钢性圆形压板下压至模拟月壤的表面后，加盖；通过涡轮减速机8使试验台的可倾斜底板10带动L型板12和搭载在L型板上的试验土槽倾斜至所需的角度，静止2min，使土槽内的土壤达到新的稳态。

（2.3）试验时，通过压缩电机带动钢性圆形压板下压，达到预定压力后，自动停止下压，通过测控装置采集不同倾斜角度下，模拟月壤的力-位移变化曲线；

（2.4）每一个试验样品重新整备，重复上述试验方法进行承压特性试验；

（2.5）采用Bekker承压模型计算得到沉陷指数n，内聚变形模量K_C，摩擦变形模量K_φ；

（3）模拟月壤抗剪切特性试验的试验方法包括以下步骤：

（3.1）试验所采用的剪切箱分为剪切上箱11和剪切下箱14，其中剪切上箱11固定在试验台的底板10上，剪切下箱14连有滚珠，搭载在L型板12上且可以移动；剪切上箱11和剪切下箱14的尺寸相同，均为260mm×260mm×200mm；剪切上箱11和剪切下箱14通过定位销固定在一起，总体容积为：2×200mm(h)×25434mm²，箱体可盛装土壤的部分横截面是半径为90mm的圆；采用（1.1）所述的整备方法，在直剪箱内整备出不同紧实度的试验样品；

（3.2）试验前，设定需要加载的轴向压力，通过压缩电机带动半径为90mm的钢性圆形压板下压至模拟月壤，压力达到预设压力后，自动停止下压，并保持轴向加载压力；通过涡轮减速机8使试验台的可倾斜底板10带动试验用直剪箱倾斜至所需的角度，静止2min，使土槽内的土壤达到新的稳态；

（3.3）试验时，通过剪切电机推动剪切下箱14匀速移动，通过测控装置采集推动过程中，不同倾斜角度下，模拟月壤力-位移变化曲线；

（3.4）试验预设两组载荷，分别为大载荷组和小载荷组，每组载荷包括四个级别的轴向加载压力；试验同时需要测定不同倾斜状态下，空载时，剪切上箱11和剪切下箱14以及剪切下箱14和L型板12所产生的摩擦力，并在数据处理时予以剔除，以获得不同倾斜角度下土壤面的剪切力；每一个试验样品重新整备，重复上述试验方法进行抗剪切特性试验；

（3.5）采用摩尔-库伦模型计算得到内摩擦角φ，内聚力c；

（4）模拟月壤贯入特性试验的试验方法包括以下步骤：

（4.1）试验利用300×300×300mm的土槽装满模拟月壤，按照（1.1）所述的整备方法整备好不同紧实状态的模拟月壤，放在试验台的L型板12上；

（4.2）试验选用不同半径的钢性锥头，并设计不同的下压试验点；试验前，对试验土槽加盖，需要在土槽盖上根据锥头尺寸和压点位置钻出圆孔并安装可以活动的挡片随时开启或关闭某一圆孔；通过涡轮减速机8使试验台的可倾斜底板10带动L型板12和搭载在L型板12上的试验土槽倾斜至所需的角度；

（4.3）通过调整上联板4上的梯形丝杠带动压缩电机左右移动，通过调整下联板13上的梯形丝杠带动L型板12前后移动，以使连接在压缩电机上的钢性锥头正好对准压点；通过压缩电机带动锥头下压至箱盖表面，静止2min，使土槽内的土壤达到新的稳态；

（4.4）试验时，移开挡板，压缩电机会带动钢性锥头下压，达到所需压下深度后停止下压，通过测控装置采集不同倾斜角度下，模拟月壤的力-位移变化曲线；完成数据采集后，令压缩电机带动锥头退回后，重新拨动挡板挡住本次试验的下压点，完成一次数据采集；通过调整梯形丝杠，使得锥头对准下一个试验下压点，通过压缩电机带动锥头下压至箱盖表面，静止2min后，重复上述的步骤直至完成全部试验点的贯入特性试验；有五个试验压入点，即每整备一次模拟月壤，可采集五组力-位移数据；

（4.5）每一个试验样品重新整备，重复上述试验方法进行贯入特性试验。

（4.6）通过数据处理获得圆锥指数CI值。

第一实施例：

测定散粒体体力分布的试验方法：

1.1 试验材料

由吉林大学JLU系列模拟月壤，选择JLU-1、JLU-2、JLU-4模拟月壤。

表1为试验用模拟月壤基础物理参数。

1.2 试验方案

试验时共放置高300mm的模拟月壤，土槽内试验点的高度为3个，分别为距模拟月壤表层100mm，150mm和200mm；试验点空间坐标如表2所示，点的平面排布如图6所示，共计21个试验点。为减少试验过程中由于传感器埋置过密对土槽内模拟月壤力学性质的影响，每次试验只埋置3或4个传感器来测试相应试验点的压力值，同一深度埋置传感器不超过2个，试验方案如表3所示；按照图4和图5所示方法埋置传感器，其中的F_V和F_S是力的方向；开始采集数据之前，静止2min，使模拟月壤达到新的稳定状态后再开始采集数据。

表 2  试验点空间坐标

Test Point	(x, y, z1) /mm	(x, y, z2) /mm	(x, y, z3) /mm
				Point 1	(150,150,100)	(150,150,150)	(150,150,200)
Point 2	(240,60,100)	(240,60,150)	(240,60,200)
				Point 3	(60,240,100)	(60,240,150)	(60,240,200)
Point 4	(205,205,100)	(205,205,150)	(205,205,200)
				Point 5	(95,95,100)	(95,95,150)	(95,95,200)
Point 6	(60,150,100)	(60,150,150)	(60,150,200)
				Point 7	(205,150,100)	(205,150,150)	(205,150,200)

表 3  土体内部压力试验方案

注：●—每组试验选择的试验点。

1.3试验结果

(1) 通过试验得出了JLU系列三种模拟月壤在不同密实状态下的侧压力系数。

松散状态下，JLU-1的侧压力系数为0.25，JLU-2为0.12，JLU-4为0.11；自然状态下，JLU-1的侧压力系数为0.34，JLU-2为0.17，JLU-4为0.08。

(2) 通过试验数据，拟合得到模拟月壤轴向力计算方程：

$P_v=\frac{b_0\mathrm{\ρ}}{k}[1-\exp \left(b_1\mathrm{kz}\right)]\·(b_{2\·}\mathrm{SG}+\frac{b_{3\·}}{d_{50}})$

b₀=-4.52186，b_l=-1.03E-05，b₂=-97.35572，b₃=-3214.10357。

其中，n=278，R=0.9092729

图7为JLU-1模拟月壤在松散状态下试验数据同轴向力拟合方程计算结果的对比图。

(3) 通过试验数据，拟合得到模拟月壤侧向力计算方程：

$P_h=b_0\·\mathrm{\ρ}(1-e^{b_{1}y}\cos \mathrm{\θ}-e^{b_2\mathrm{kz}}\sin \mathrm{\θ})(b_{3\·}\mathrm{SG}+\frac{b_{4\·}}{d_{50}})$

b₀=0.1382，b₁=0.0064，b₂=0.0175，b₃=-1.0945，b₄=-53.0033。

其中，n=1367，R=0.7651

第二实施例：

测定模拟月壤在低重力环境下贯入特性的试验方法。

1.1 试验材料

由吉林大学李建桥课题组发明的JLU系列模拟月壤，选择JLU-1、JLU-2模拟月壤。

1.2 试验方案

利用低重力环境模拟试验装置，通过将圆锥测头对土槽内的模拟月壤施加法向载荷，测取贯入特性曲线。为获取不同容重下模拟月壤的贯入性能，试验时模拟月壤整备为两种状态，即：松散和自然。

试验因素包括五个倾斜角度（含垂直），两种粒径的模拟月壤，两种容重状态，两种半径的圆锥测头，2种压下速度，五个试验点，2次重复试验。

试验次数：5重力×2粒径×2状态×2压头×2速度×5压点×2重复=800次试验。

试验时加载速度分别采用30、150mm/min，试验用圆锥锥头最大截面圆半径分别为20、32mm。每整备一次模拟月壤，可同时完成5个试验点的贯入特性试验，每种试验条件进行2次模拟月壤的整备，即，2次重复试验，压锥压点的平面排布示意图如图8所示。

1.3 试验结果

通过贯入特性试验，可以从下述方面对比分析圆锥指数CI值的影响因素。

(1) 模拟月壤的紧实度状态对CI值的影响。

图9为1g重力场下，JLU-1松散状态和自然状态下的CI值。

(2) 模拟月壤的粒径分布对CI值的影响

图10为1g重力场、松散状态下，JLU-1和JLU-2模拟月壤的CI值。

(3) 不同的试验压点对CI值的影响

图11为1g重力场、松散状态下，JLU-1模拟月壤在不同下压点的CI值。

(4) 不同的圆锥半径对CI值的影响

图12为1g重力场、松散状态下，利用不同压锥得到的JLU-1模拟月壤的CI值。

(5) 不同重力环境对CI值的影响

图13为松散状态下，JLU-1模拟月壤在不同重力环境下的CI值。

Claims (1)

1.一种低重力环境下模拟月壤力学性能的测定方法，该方法是：使用低重力环境模拟装置，通过倾斜试验台面，在分力方向模拟低重力环境，倾斜过程中产生的各种分力与倾斜角度相关；模拟过程中通过散粒体体力分布试验对土体内部受力状态进行检测，以作为模拟月壤力学性能测定试验的基础试验；用以评估模拟月壤在1g重力场和低重力场下的力学性能参数，包括有沉陷指数n，内聚变形模量K_C，摩擦变形模量K_φ，内摩擦角φ，内聚力c，圆锥指数CI值；上述参数通过模拟月壤承压特性实验、剪切特性试验和贯入特性试验获得；

该方法的具体步骤如下：

(1)散粒体体力分布试验是一种测定土体内部受力状态的试验，试验方法包括以下步骤：

(1.1)不同紧实状态的模拟月壤整备方法：采用多次翻松、分层轻压、分层反复压实等整备方法，使模拟月壤表现出不同的紧实状态，利用称量法测定模拟月壤在不同紧实状态下的容重，并通过计算得到模拟月壤的孔隙度和孔隙率，用以衡量月壤的紧实状态；

(1.2)试验利用300×300×300mm的土槽盛装模拟月壤，并将土槽放在低重力环境模拟试验装置的可倾斜L型板上；试验前，根据需要，在土槽内的不同试验点埋置压力传感器；按照模拟月壤的不同紧实状态预先称量好所需的模拟月壤的质量，并采用(1)中的整备方法，分层整备模拟月壤，同时逐层逐点埋放压力传感器，以测定不同紧实度下的模拟月壤土体内部压力分布情况；

(1.3)试验时，通过涡轮减速机使试验台的可倾斜底板带动L型板和搭载在L型板上的试验土槽倾斜至所需的角度，静止2min，待土槽内的土壤达到新的稳态后，通过数据移动采集系统采集不同倾斜角度下模拟月壤在不同试验点的轴向分力及侧向分力，得到模拟月壤在不同倾斜角度下的土体内部压力分布情况；

(1.4)每一个试验样品重新整备，重复上述试验方法进行散粒体体力分布试验；

(2)模拟月壤承压特性试验的试验方法包括以下步骤：

(2.1)试验利用300×300×300mm的土槽装满模拟月壤，按照(1.1)所述的整备方法整备好不同紧实状态的模拟月壤，放在试验台的L型板上；

(2.2)试验选用不同半径的钢性圆形压板；试验前，通过压缩电机带动钢性圆形压板下压至模拟月壤的表面后，加盖；通过涡轮减速机使试验台的可倾斜底板带动L型板和搭载在L型板上的试验土槽倾斜至所需的角度，静止2min，使土槽内的土壤达到新的稳态。

(2.3)试验时，通过压缩电机带动钢性圆形压板下压，达到预定压力后，自动停止下压，通过测控装置采集不同倾斜角度下，模拟月壤的力-位移变化曲线；

(2.4)每一个试验样品重新整备，重复上述试验方法进行承压特性试验；

(2.5)采用Bekker承压模型计算得到沉陷指数n，内聚变形模量K_C，摩擦变形模量K_φ；

(3)模拟月壤抗剪切特性试验的试验方法包括以下步骤：

(3.1)试验所采用的剪切箱分为剪切上箱和剪切下箱，其中剪切上箱固定在试验台的底板上，剪切下箱连有滚珠，搭载在L型板上且可以移动；剪切上箱和剪切下箱的尺寸相同，均为260mm×260mm×200mm；剪切上箱和剪切下箱通过定位销固定在一起，总体容积为：2×200mm(h)×25434mm²，箱体可盛装土壤的部分横截面是半径为90mm的圆；采用(1.1)所述的整备方法，在直剪箱内整备出不同紧实度的试验样品；

(3.2)试验前，设定需要加载的轴向压力，通过压缩电机带动半径为90mm的钢性圆形压板下压至模拟月壤，压力达到预设压力后，自动停止下压，并保持轴向加载压力；通过涡轮减速机使试验台的可倾斜底板带动试验用直剪箱倾斜至所需的角度，静止2min，使土槽内的土壤达到新的稳态；

(3.3)试验时，通过剪切电机推动剪切下箱匀速移动，通过测控装置采集推动过程中，不同倾斜角度下，模拟月壤力-位移变化曲线；

(3.4)试验预设两组载荷，分别为大载荷组和小载荷组，每组载荷包括四个级别的轴向加载压力；试验同时需要测定不同倾斜状态下，空载时，剪切上箱和剪切下箱以及剪切下箱和L型板所产生的摩擦力，并在数据处理时予以剔除，以获得不同倾斜角度下土壤面的剪切力；每一个试验样品重新整备，重复上述试验方法进行抗剪切特性试验；

(3.5)采用摩尔-库伦模型计算得到内摩擦角φ，内聚力c；

(4)模拟月壤贯入特性试验的试验方法包括以下步骤：

(4.1)试验利用300×300×300mm的土槽装满模拟月壤，按照(1.1)所述的整备方法整备好不同紧实状态的模拟月壤，放在试验台的L型板上；

(4.2)试验选用不同半径的钢性锥头，并设计不同的下压试验点；试验前，对试验土槽加盖，需要在土槽盖上根据锥头尺寸和压点位置钻出圆孔并安装可以活动的挡片随时开启或关闭某一圆孔；通过涡轮减速机使试验台的可倾斜底板带动L型板和搭载在L型板上的试验土槽倾斜至所需的角度；

(4.3)通过调整上联板上的梯形丝杠带动压缩电机左右移动，通过调整下联板上的梯形丝杠带动L型板前后移动，以使连接在压缩电机上的钢性锥头正好对准压点；通过压缩电机带动锥头下压至箱盖表面，静止2min，使土槽内的土壤达到新的稳态；

(4.4)试验时，移开挡板，压缩电机会带动钢性锥头下压，达到所需压下深度后停止下压，通过测控装置采集不同倾斜角度下，模拟月壤的力-位移变化曲线；完成数据采集后，令压缩电机带动锥头退回后，重新拨动挡板挡住本次试验的下压点，完成一次数据采集；通过调整梯形丝杠，使得锥头对准下一个试验下压点，通过压缩电机带动锥头下压至箱盖表面，静止2min后，重复上述的步骤直至完成全部试验点的贯入特性试验；有五个试验压入点，即每整备一次模拟月壤，可采集五组力-位移数据；

(4.5)每一个试验样品重新整备，重复上述试验方法进行贯入特性试验。

(4.6)通过数据处理获得圆锥指数CI值。