特殊性巖土
——月壤的物理力學性質

王 廣 程 磊

（中國礦業大學， 江蘇 徐州 221116）

1 背景

外空資源開發是航空航天事業發展和空間應用的前沿領域，也是近年來國際空間外交舞臺及各國航天科技界的熱議話題。隨著人口持續增長、地球資源的日益枯竭，人類在地球環境實現長期可持續發展將面臨巨大挑戰，這就需要開發潛在的月球資源。月球是距離地球最近的天體，是重要的太空資源，可作為未來太空開發的重要中轉站，故探月工程是重要的太空發展任務。其中月壤是探月工程各種研究活動的物理承載基礎，對于月壤的基本性質的研究是各國重要的科研課題，具有重要的科學價值和廣闊的發展前景。“嫦娥探月”工程中計劃的發射“嫦娥 5 號”月球探測器，將首次開展月面無人鉆孔取樣返回試驗，為我國開展更深入的月球科學探測和建設月球空間基地奠定堅實的基礎。

2 月壤的形成

月壤是月球表面覆蓋著一層結構松散的混合物，其主要由巖石的碎屑、粉末以及太空外來物質撞擊月球而形成的熔融玻璃等復雜物質組成的。月球上為 1/6g的小重力真空環境，無風，水，等外營力與生物等因素，所以其土壤生成條件和地球相差甚大。一般來說月壤的形成主要有三個影響因素: 1宇宙塵埃與隕石的撞擊；2宇宙射線（太陽紫外線，X射線，伽馬射線等）和太陽風粒子的持續轟擊破壞巖石的結構；3大幅度晝夜溫差導致巖石熱脹冷縮從而破碎。

3 研究材料的獲取

目前地球僅存在381.7kg的真實月壤，其中99%以上都掌握的美國手中，中國僅有 1g。因此，幾乎所有進行的月壤性質相關試驗的材料均為性質接近月壤模擬材料。國內外多所研究所均配置模擬月壤，目前國內外有以下模擬月壤：美國國家宇航局約翰遜空間中心主持研制的 JSC-1模擬月壤、美國明尼蘇達大學研制的MLS-1模擬月壤以及日本所研制的FJS-1模擬月壤等。國內則是由中國科學院主持研制的CAS-1、NAO-1模擬月壤。目前磁敏性月壤的研制也是國內熱門的研究課題。

4 小重力環境的模擬

目前巖土工程領域初步形成如下幾種小重力場模型試驗方法：土工離心試驗、傾斜式模型試驗、滲水力模型試驗、試驗飛機拋物飛行法、“落井、落塔”模型試驗等，均在不同的巖土工程問題研究中取得了豐碩的成果，但也逐步顯現出各自模擬重力場條件的不足與缺陷。

近期常用的實驗方法為磁重力模型試驗理論方法，中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室就有關于磁擬重力場模型試驗系統及三軸壓縮儀等設備。

磁重力模型試驗方法理論采用磁擬重力場原理，建立用于月壤室內試驗研究的小重力、真空環境物理試驗系統。該系統可開展多種力學和工程特性試驗，也可進行模擬月壤的開挖等工程模型試驗，揭示月壤的力學特性，特別是其內聚力、弱抗拉強度形成機理與演化規律，為月球基地基礎建設、月球資源開發等工程提供更為可靠的理論與技術支撐。

5 月壤的物理和機械特性

5.1 幾何描述

顆粒的力學性質往往和其幾何形狀有關系。月壤顆粒的表面往往存在棱角、鉤角、鋸齒等不極規則結構，由于沒有水，風等外營力的作用，其表面相對凹凸，大粒徑顆粒往往具有蜂窩狀氣孔結構。月壤顆粒形狀各異，長條狀，類三角形，類四邊形狀等常見的結構使得無法用常規的幾何方法去描述月壤顆粒。一般可通過對顆粒幾何性質參數的描述（費雷特直徑、延伸度、圓度、凹凸度等）去定義月壤顆粒。

這種幾何特性使月壤或模擬月壤的摩擦角和內聚力都大于普通土壤（摩擦角在 40°-50°之間）。在阿波羅號取樣時也出現隨著取樣深度的加深，取樣如同鉆巖石一樣的情況。

5.2 模擬月壤的抗剪能力：

研究月壤抗剪能力可用庫倫準則，實驗證明CAS-1 模擬月壤的內摩擦角φ為25°～ 50°,內聚力 C 為 0.26～ 1.8 kPa。而多次平均測量獲得的 CAS-1 模擬月壤的內摩擦角φ= 33.3°,內聚力 C= 1.0 kPa,與月壤在抗剪性能方面是相似的。而同時測得的地球紅壤(采自貴陽花溪和平壩兩地)分別為φ= 37.2°,C= 10 kPa 和φ=35.5°,C= 12kPa。

可以得出到在干燥狀態下月壤的內摩擦角變化范圍很大，這主要是和月壤的表面多棱角、鉤角、鋸齒等不規則結構，則其內摩擦角很大（可達到 50°以上），如果形態城圓形則摩擦角偏小。其內聚力僅 0.26-1kPa，這是因為月壤土壤含水量幾乎為 0，沒有風化作用、生物活動和水的作用是土壤顆粒之間聯絡物極少，故內聚力很低。

5.3 月壤的壓縮性

月壤的孔隙比e是指月壤中孔隙體積與顆粒體積之比,用小數表示。天然狀態下月壤的孔隙比是一個重要的物理性指標,可以用來評價月壤的密實程度。一般e<0.6的月壤是密實的低壓縮性月壤,e>1.0的月壤是疏松的高壓縮性月壤。一般而言,地球上粘性土的孔隙率為30%～ 60% ,無粘性土為25%～ 45%，而月球孔隙率在50%左右[7]。