[发明专利]一种低重力环境下模拟月壤力学性能的测定方法

权利要求书

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。

2.根据权利要求1所述的一种低重力环境下模拟月壤力学性能的测定方法，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。