TJ-1模擬月壤承載特性物理模型試驗研究

蔣明鏡， 奚邦祿， 孫德安， 王　闖

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 2.上海大學(xué) 土木工程系，上海 200072； 3.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)

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TJ-1模擬月壤承載特性物理模型試驗研究

蔣明鏡1， 奚邦祿1， 孫德安2， 王闖3

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 2.上海大學(xué) 土木工程系，上海 200072； 3.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)

借助現(xiàn)代土力學(xué)試驗技術(shù)研究月壤工程特性，是解決月球上巖土工程問題的一個可行方法.室內(nèi)載荷物理模型試驗是研究土體承載特性的重要方法.本研究自行設(shè)計加工了一套可以實現(xiàn)加載速率控制的加載裝置，采用試驗材料為Tongji-1(簡稱TJ-1)模擬月壤，對4種不同尺寸的圓盤載荷板進(jìn)行加載速率控制條件下的載荷模型試驗，同時測定了基底土壓力分布.試驗結(jié)果表明：在相同載荷板條件下，TJ-1模擬月壤的地基極限承載力和變形模量隨加載速率的增加而增加；在相同加載速率條件下，TJ-1模擬月壤的地基極限承載力和變形模量隨載荷板尺寸增加而增加；加載時基底中心土壓力最大.

微地基承載力； TJ-1模擬月壤； 載荷試驗； 載荷速率影響； 載荷板尺寸影響

歐陽自遠(yuǎn)院士提出在我國月球探測第 3 期工程完成月面巡視勘察與采樣返回，基本完成不載人月球探測任務(wù)后, 根據(jù)我國的國情和國力, 實施載人登月和月球基地的建設(shè)[1].國內(nèi)外許多學(xué)者關(guān)于月球基地的設(shè)計進(jìn)行相關(guān)研究[2-3].從巖土工作者角度出發(fā)，在月球基地的設(shè)計中，需要明確月壤的承載力特性，優(yōu)化地基基礎(chǔ)設(shè)計，減少材料消耗，降低月球基地建設(shè)成本，為月面工程建設(shè)提供參考.

月壤是在氧氣、水、風(fēng)和生命活動都不存在的情況下，通過隕石和微隕石撞擊、宇宙射線和太陽風(fēng)持續(xù)轟擊、大幅度晝夜溫差變化導(dǎo)致巖石熱脹冷縮破碎共同作用引起的.月壤的主要礦物成分包括長石、輝石和橄欖石.根據(jù)真實月壤級配曲線，月壤可歸類于粉質(zhì)砂土[1].然而根據(jù)美國Apollo計劃和前蘇聯(lián)luna計劃中所實施的大量現(xiàn)場試驗以及對帶回地球的真實月壤樣品試驗可知，真實月壤內(nèi)摩擦角φ=25°～50°，黏聚力c=0.26～1.80 kPa[4-5].而地球上砂土黏聚力一般認(rèn)為是0.有關(guān)研究表明，月壤黏聚力來源于分子間作用力(范德華力).月面環(huán)境下大氣層極為稀薄，在地球上無需考慮的分子間作用力在月面環(huán)境下則需要考慮[6-7].

地基承載特性是土體工程力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，可以通過室內(nèi)載荷板試驗確定.考慮到直接在月面進(jìn)行其承載特性研究是不現(xiàn)實的，而且地球上真實月壤含量極少，無法大量用于月壤承載力特性研究.多數(shù)學(xué)者采用模擬月壤，一種具有與月壤相似的礦物組成、化學(xué)成分和物理力學(xué)性質(zhì)的地球物質(zhì)進(jìn)行相關(guān)的試驗研究.Kobayashi等[8]研究了不同重力作用下淺基礎(chǔ)在FJS-1模擬月壤地基上的荷載-沉降特性，結(jié)果表明FJS-1模擬月壤和Toyoura砂破壞模式并不相同，基于塑性力學(xué)理論的經(jīng)典承載力理論并不一定適用于月壤的承載力預(yù)測，并在此基礎(chǔ)上提出一種新的理論模型，該模型考慮了重力場對月壤破壞模式的影響，可以較好地預(yù)測月面環(huán)境下地基承載力的大小[9].Bui等[10]利用飛機(jī)俯沖獲得短時間低重力場研究了不同重力加速度下Toyoura砂和FJS-1模擬月壤的承載力問題，結(jié)果表明重力加速度對Toyoura砂的承載力影響顯著，然而重力加速度小于1個g時，重力加速度對FJS-1模擬月壤承載力無明顯影響.Perkins和Madson[11]采用離心機(jī)試驗研究了MLS-1和JSC-1模擬月壤淺基礎(chǔ)時荷載-沉降特性，結(jié)果表明兩種模擬月壤的地基承載力和變形模量均隨地基寬度增加而增加.蔣明鏡等[12]在13 m×12 m×1.2 m試驗用TJ-1(Tongji-1)模擬月壤地基上進(jìn)行了靜力觸探試驗和靜載荷試驗，并將試驗結(jié)果與國內(nèi)外12種承載力公式對比，發(fā)現(xiàn)太沙基半經(jīng)驗公式無法準(zhǔn)確預(yù)測TJ-1模擬月壤的地基承載力.鄒猛等[13]通過壓板試驗獲取了3種不同粒徑分布模擬月壤的承壓性能曲線與參數(shù)，分析了粒徑分布對于模擬月壤承壓性能的影響，結(jié)果表明粒徑粗且分布均勻的模擬月壤承壓能力最強(qiáng).

模擬月壤地基承載力的試驗研究都是在室內(nèi)物理模型箱內(nèi)進(jìn)行的，載荷板的尺寸和加載速率對于模擬月壤的承載力特性影響很大.因此有必要研究載荷板尺寸和加載速率對模擬月壤地基承載力的影響.本文以TJ-1模擬月壤為原材料，自行設(shè)計加工了一套可以實現(xiàn)不同加載速率控制的試驗加載裝置,以其進(jìn)行載荷板試驗，共使用4種不同直徑的圓盤載荷板，進(jìn)行了不同加載速率條件下的TJ-1模擬月壤的載荷模型試驗.同時，為了研究基底面的土壓力分布，在直徑為120 mm的圓盤底面布置了土壓力計，以便在載荷試驗過程中進(jìn)行基底面土壓力的實時測量.月壤的承載特性受月壤的基本力學(xué)特性、重力環(huán)境、加載方式等多種條件的影響，本文從可操作性的角度出發(fā)，研究地面環(huán)境下模擬月壤的承載特性，將試驗成果借助理論分析及數(shù)值模擬推廣到月面環(huán)境，為月球永久基地的設(shè)計提供參考性的數(shù)據(jù)[14-16].

1　試驗概況

1.1試驗材料

本次試驗采用同濟(jì)大學(xué)研制的TJ-1模擬月壤作為試驗材料.該模擬月壤是以吉林省靖宇縣境內(nèi)的紅色火山灰為母體材料，主要礦物成分為橄欖石、輝石、長石，并含有大于30%的玻璃體，經(jīng)過烘干、粉碎、篩分最終獲得符合目標(biāo)力學(xué)指標(biāo)的干燥模擬月壤材料，其顆粒形態(tài)較為粗糙，顆粒間存在較大咬合力，因此可以表現(xiàn)出較小黏聚力.其級配曲線見圖1[17-18].與國內(nèi)外其他模擬月壤相比，TJ-1 模擬月壤具有級配更加穩(wěn)定，較大孔隙比時抗剪強(qiáng)度高的特點，如表1所示.

圖1　TJ-1模擬月壤級配曲線[17-18]Fig.1　Gradation of TJ-1 lunar soil stimulant[17-18]表1　TJ-1模擬月壤主要物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1　Physical and mechanical indexes of TJ-1

物理力學(xué)指標(biāo)數(shù)值含水率/%<1顆粒比重2.72有效粒徑d10/μm平均粒徑d50/μm20260不均勻系數(shù)21.5曲率系數(shù)0.92內(nèi)摩擦角/(°)47.6黏聚力/kPa0.86壓縮指數(shù)(法向力范圍12.5～100.0kPa)0.086

1.2試驗設(shè)備

本次試驗使用同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系自行設(shè)計的模型箱[19]，其尺寸為1 500 mm×900 mm×900 mm，如圖2所示.在該模型箱基礎(chǔ)上，考慮到粒徑效應(yīng)和邊界效應(yīng)，圓盤直徑取120,100,80,60 mm.在直徑120 mm圓盤載荷板載荷試驗中，板底面對稱布置有5個直徑為14 mm的土壓力計，如圖3所示.A位于基底中心，B1和B2距基底中心26mm，C1和C2距基底中心39 mm.

圖2　模型箱[19]Fig.2　Model box[19]

圖3　基底面土壓力計的布置Fig.3　Arrangement of earth pressure cell in basal surface

1.3試驗方案

本試驗中的豎向位移加載速率通過調(diào)節(jié)電機(jī)頻率來控制，載荷試驗中電機(jī)頻率分別取為5,10,15,20 Hz，其對應(yīng)的平均位移加載速率分別約為1.9,4.6,7.2,9.5 mm·s-1.加載裝置示意圖如圖4所示.在上述4種加載速率下進(jìn)行TJ-1模擬月壤的地基極限承載力試驗.試驗過程中模型地基的干密度控制在1.36 g·cm-3左右.

1-載入桿;2-鏈條;3-齒輪;4-滑塊;5-連接桿;6-載荷板;7-電機(jī);8-反力架;9-支座;10-導(dǎo)軌;11-傳感器;12-導(dǎo)軌支撐;13-鋼化玻璃;14-拉繩位移傳感器

圖4位移速率控制加載裝置

Fig.4Loading device with displacement rate control

2　試驗結(jié)果及分析

2.1基底平均壓力與沉降量關(guān)系曲線

在不同直徑基礎(chǔ)條件下分別進(jìn)行了不同加載速率下的載荷板試驗，可用于研究分析載荷板尺寸及加載速率對TJ-1模擬月壤地基承載力的影響.本試驗中分別使用不同直徑圓盤載荷板進(jìn)行了載荷試驗，試驗過程中記錄p-s(基底平均壓力-沉降量)曲線，其中p用載荷除以載荷板的面積進(jìn)行計算.每組試驗都進(jìn)行多組平行試驗取均值，以驗證試驗的正確性.所有的試驗結(jié)果在表2中進(jìn)行統(tǒng)計.圖5為載荷板直徑取100 mm、電機(jī)頻率取10 Hz時4組平行試驗的p-s曲線.由圖可知,試驗結(jié)果重復(fù)性較好，p-s曲線上有明顯的拐點，可用于確定地基極限承載力;但仍有個別試驗結(jié)果相差較大，如表2所示，這可能是由于試驗過程中地基的密度不均勻所引起的.從p-s曲線的形式特征分析，地基的破壞模式更加接近于局部破壞模式.圖6為電機(jī)頻率5 Hz、加載速率約為1.9 mm·s-1時不同直徑載荷板下的典型p-s曲線.可知，隨著載荷板直徑的增加，p-s曲線的形態(tài)基本相同，模擬月壤的承載力隨載荷板直徑的增加而增加，地基的破壞模式都更接近于局部破壞模式.圖7為載荷板直徑取120 mm，不同電機(jī)頻率即不同加載速度下典型p-s曲線.可知，隨著加載速率的增大，p-s曲線的拐點愈加明顯，地基破壞模式逐漸從局部破壞模式發(fā)展為整體破壞模式，模擬月壤地基承載力隨加載速率增大而增大.

圖5　平行試驗結(jié)果Fig.5　Results of parallel tests

圖6　不同載荷板尺寸試驗結(jié)果Fig.6　Results with different loading plates

圖7　不同加載速率試驗結(jié)果Fig.7　Results with different loading rates

2.2地基極限承載力

分析表2數(shù)據(jù)可知，大多數(shù)試驗結(jié)果重復(fù)性較 好，但6 cm直徑加載板在平均加載速率7.384 mm·s-1時存在最終承載力相差較大的現(xiàn)象，這可能是由于試驗條件差異(如地基局部不均勻等因素)引起的.在室內(nèi)靜載荷物理模型試驗中，加載速率和基礎(chǔ)尺寸均會對地基極限承載力產(chǎn)生影響.圖8為不同直徑載荷板時TJ-1模擬月壤的地基極限承載力與加載速率關(guān)系曲線.可知當(dāng)圓盤直徑相同時，模擬月壤地基承載力隨加載速率增加而增加，且大致呈線性關(guān)系.常規(guī)地基承載力隨加載速率增大而減小，可能與其孔隙水壓難消散有關(guān)，本文研究中，TJ-1模擬月壤是干燥顆粒材料，無孔隙水壓.加載速率相近時，模擬月壤地基承載力隨載荷板直徑的增加而增加，與Perkins等[11]結(jié)論相同.

圖8　極限承載力加載速率關(guān)系曲線Fig.8　Ultimate bearing capacity vs loading rate

2.3地基變形模量

淺層載荷板試驗中，地基土的變形模量E0可采用下式計算[20]:

(1)

式中:d為載荷板直徑,m；Ι0為載荷板位于半空間表面的影響因子，對于圓形剛性板，Ι0=π/4=0.785；K為p-s關(guān)系曲線直線段斜率,kN·m-3，本文計算結(jié)果如表2所示；μ為土的泊松比，可通過式K0=1-sinφ′=μ/(1-μ)計算，其中，φ′為47.60°，可得μ=0.207 5≈0.21.根據(jù)式(1)和各參數(shù)的值，可計算得到各種載荷板在不同加載速率下的地基平均變形模量E0，如表3所示.圖9為不同直徑載荷板下TJ-1模擬月壤的平均變形模量與加載速率的關(guān)系曲線.在相同載荷板條件下，TJ-1模擬月壤的地基變形模量隨加載速率的增加而增加；在相近加載速率下，TJ-1模擬月壤地基變形模量隨著載荷板尺寸增加而增加.

表2不同加載速率下各種尺寸載荷板極限承載力

Tab.2Ultimate bearing capacity of loading plates with different sizes at different loading rates

直徑/cm速率/(mm·s-1)平均速率/(mm·s-1)極限承載力/kPa平均極限承載力/kPa62.1322.1494.7704.8347.3617.4197.3729.9469.9002.1394.8027.3849.923125.78114.2115.85154.74105.92160.54123.30131.57172.12119.99135.30141.92151.8582.1452.0342.0214.9504.7624.7985.0004.6174.6417.1957.1689.4769.5682.0674.7647.1829.522131.73146.16160.59135.45135.92141.04146.16151.74170.83180.14168.97204.81175.95148.16152.44174.56190.38101.9501.9541.9051.8144.4484.4124.5684.5007.1367.0749.4119.4609.5611.9064.4827.1059.477165.74130.23126.61173.38176.66156.4165.63156.99199.60166.82173.97226.40166.82148.99163.92183.21200.19121.7701.4801.5034.5404.4844.3046.8576.9776.9959.0279.0989.4851.5844.4436.9439.203151.13183.50183.09162.19175.84190.74227.15194.26198.81267.70266.25226.81162.04176.26210.71253.59

表3　各載荷板在不同加載速率下的平均變形模量Tab.3　Mean deformation modulus

圖9　變形模量加載速率關(guān)系曲線Fig.9　Deformation modulus vs loading rate

2.4基底土壓力分布

基底對稱布置5只土壓力計，詳見圖3.各土壓力計測得的基底土壓力值隨加載時間的變化如圖10所示.從圖可知，加載初期各點土壓力增加較快，特別是中心點.圖11為不同時刻的基底土壓力分布.可知試驗得到的載荷板底部的土壓力分布具有很好的對稱性，并且中心點的土壓力明顯更大，而距基底中心39 mm處的土壓力值比距中心26 mm處的土壓力值略大.由于本次試驗采用的120 mm圓盤載荷板可視為剛性基礎(chǔ)，地基土TJ-1模擬月壤為無黏性土，沒有黏結(jié)強(qiáng)度.由于基礎(chǔ)埋深很淺，因此在邊緣處的土體幾乎不具有抗剪強(qiáng)度.在荷載較小時，剛性基礎(chǔ)對荷載的傳遞和地基的變形起約束和調(diào)節(jié)作用，因此在加載初期，基底面土壓力分布較為均勻，形成類似于馬鞍形的分布.隨著荷載增加，部分反力向中間轉(zhuǎn)移，基底中心處的土壓力迅速增大，最終形成如圖11所示的土壓力分布.

圖10基底土壓力隨時間變化曲線(加載速率1.75 mm·s-1)

Fig.10Evolution of basal pressure (loading rate 1.75 mm·s-1)

圖11　不同時刻基底土壓力分布圖

Fig.11Distribution of soil pressure in basal surface at different times

3　結(jié)語

本研究設(shè)計加工了一套可以進(jìn)行位移速率控制的載荷模型試驗加載裝置和不同尺寸的載荷板.用4種尺寸圓盤的載荷板在模型箱中進(jìn)行位移速率控制的載荷試驗.對比分析了位移加載速率和載荷板尺寸對TJ-1模擬月壤地基極限承載力的影響.得出如下主要結(jié)論：

(1) 使用設(shè)計加工的可進(jìn)行位移速率控制加載裝置的載荷試驗結(jié)果表明，大多數(shù)加載試驗結(jié)果具有良好的重復(fù)性，因此可在模型箱中較好地進(jìn)行載荷試驗.

(2) 在位移速率控制時，同一載荷板條件下，TJ-1模擬月壤的地基極限承載力隨著加載速率的增加而增加；整體來說，相同加載速率下，TJ-1模擬月壤地基極限承載力隨著載荷板尺寸的增加而增加.

(3) 在位移速率控制時，加載速率和基礎(chǔ)尺寸均會對地基彈性模量產(chǎn)生影響.在相同載荷板條件下，TJ-1模擬月壤的地基變形模量隨著加載速率的增加而增加；在相同加載速率下，TJ-1模擬月壤的地基變形模量隨著載荷板尺寸的增加而增加.

(4) 加載初期，各點土壓力增加較快，特別是中心點.加載試驗時，直徑12 cm圓盤載荷板的底面中心點土壓力最大，而距中心39 mm處的土壓力值比距中心26 mm處的土壓力值略大.

月面環(huán)境與地面環(huán)境差距較大(低重力場、高真空、高溫差等)，后續(xù)將研究月面環(huán)境對模擬月壤承載力的影響，以由地面環(huán)境下的試驗結(jié)果推得月球上真實月壤土的承載特性.

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Experimental Study of Bearing Behavior of TJ-1 Lunar Soil Simulant Using Physical Model

JIANG Mingjing1, XI Banglu1, SUN Dean2, WANG Chuang3

(1. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Department of Civil Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China; 3. China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

The engineering properties of lunar regolith can be studied with the aid of the modern experimental technology, which is a practicable method to solve the problem of geotechnical engineering on the moon. The indoor physical model loading test is of great significance in studying soil bearing capacity. In this paper, the loading device with the loading rate controlled was designed. Then, indoor model loading tests were conducted on TJ-1 lunar regolith simulant by using the circular loading plates with four different sizes. The results show that using the same loading plate, the ultimate bearing capacity and deformation modulus of TJ-1 lunar regolith simulant increase with the loading rate. Using the same loading rate, the ultimate bearing capacity and deformation modulus of TJ-1 lunar soil simulant increase with the loading plate size. In addition, the basal soil pressure at the center is the largest during loading.

bearing capacity; TJ-1 lunar soil stimulant; plate loading test; loading rate effect; loading plate size effect

2015-01-16

國家杰出青年科學(xué)基金(51025931);國家自然科學(xué)基金(51179128)

蔣明鏡(1965—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，博士后，主要研究方向為天然結(jié)構(gòu)性黏土、砂土、太空土、深海能源土、非飽和土的宏微觀之試驗、本構(gòu)模型和數(shù)值分析以及土體逐漸破壞分析等.E-mail:mingjingjiang@#edu.cn

TU43

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