武汉大学学者利用GDS动态反压直剪等系统开展嫦娥五号模拟月壤WHU-1力学特性研究

https://doi.org/10.1007/s11440-025-02553-7

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以下是对这项成果的简要介绍：

月球的极端环境（地表重力1.6 m/s2，真空度10?? Pa）对工程力学提出了特殊挑战，传统地球岩土力学理论因重力场差异和大气压干扰无法直接应用。嫦娥五号任务仅取回1731克月壤样本，样本稀缺性进一步制约了研究进展。为突破这一限制，研究团队基于嫦娥五号月壤的粒度特征，开发了WHU-1高保真月壤模拟物，其粒径中值（D50）仅为30.96微米，颗粒棱角分明，矿物组分与真实月壤高度一致，并具备更优的连续级配。该模拟物为系统开展月壤力学试验奠定了材料基础。

研究通过反压控制剪切试验系统，对WHU-1月壤模拟物进行了三轴压缩试验和直剪试验。三轴压缩试验在不同环境压力下，分别以水和空气作为围压介质进行加载；直剪试验则提供了与三轴试验不同的侧向约束条件。通过这些试验，研究团队分析了围压介质、侧向约束条件和环境压力等关键因素对WHU-1力学行为的影响。

（1）三轴试验结果：在反压控制的三轴试验中，水压荷载在弱侧向约束下会产生显著的压差，导致黏聚力被低估，内摩擦角被高估。径向应力和环境压力显著影响颗粒间相互作用，形成多种剪切带，决定不同的破坏模式。降低环境压力会使剪切强度关系从线性变为二次函数，强调了在真空条件下进一步实验的必要性。

（2）直剪试验结果：直剪试验中，剪切力集中在单个平面上，导致强度响应随荷载增加呈非线性。相比之下，三轴试验提供均匀约束，在高应力下能获得更稳定的黏聚力和内摩擦角值。这些结果强调了根据具体应力条件选择合适测试方法的重要性。

（3）WHU-1模拟物特性：WHU-1模拟物表现出更高的黏聚力，归因于其更细的粒径分布和更广泛的颗粒级配。这表明嫦娥五号月壤可能比阿波罗样品具有更高的内摩擦角和更强的黏聚力。

Fig.4 a triaxial test system (GDS , DYNTTS) with the stress state diagram of the speimen; b directs shear system (GDS, DYNBPS)

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动态反压直剪仪(DYNBPS)用于静态和动态直接剪切试验，能控制试样孔隙压力。在直剪试验过程中对孔隙压力的控制允许在实验室中模拟真实的情况。

动态反压直剪系统允许模拟滑坡，它在经历最初的破坏时刻后速度迅速增大，在控制和测量孔隙压力的同时，还可以进行循环直剪试验。

系统特点及优势：

升级选项:  弯曲元和小应变传感器

动三轴DYNTTS的定制性好，例如可以升级局部应变传感器、弯曲元试验、非饱和土试验等；从标准的2Hz/10kN升级到5Hz或10Hz的版本；能够升级轴向负载能力从标准的10kN范围到最大60kN；试样尺寸从标准的100mm升级到最大300mm；可以升级温控范围从零下20度到零上85度。

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