磁性高钛模拟月壤IRSM-1的研制及其性质研究

周宁希; 陈健; 黄珏皓; 田宁; 吴鹏

doi:10.11779/CJGE2023S10039

磁性高钛模拟月壤IRSM-1的研制及其性质研究 English Version

周宁希^{1, 2,},
陈健^{1, 2, 3, 4, ,},
黄珏皓^{1, 2},
田宁^{1, 2},
吴鹏^{1, 2}

1.
中国科学院武汉岩土力学研究所, 湖北武汉 430071
2.
中国科学院大学, 北京 100049
3.
湖北省环境岩土工程重点实验室, 湖北武汉 430071
4.
中国-巴基斯坦地球科学研究中心, 伊斯兰堡

基金项目:

国家重点研发计划项目 2021YFF0500301

国家自然科学基金项目 52079135

国家自然科学基金项目 51909259

详细信息

作者简介:
周宁希(1999—)，男，博士研究生，主要从事月壤及模拟月壤力学性质方面的研究工作。E-mail: zhouningxi20@mails.ucas.ac.cn

通讯作者:
陈健, E-mail: jchen@whrsm.ac.cn

中图分类号: TU43;U45
计量
- 文章访问数: 169
- HTML全文浏览量: 24
- PDF下载量: 47
出版历程
- 收稿日期: 2023-07-05
- 网络出版日期: 2023-11-23
- 刊出日期: 2023-10-31

Development and properties of a magnetic high-titanium lunar regolith simulant IRSM-1

ZHOU Ningxi^{1, 2,},
CHEN Jian^{1, 2, 3, 4, ,},
HUANG Juehao^{1, 2},
TIAN Ning^{1, 2},
WU Peng^{1, 2}

1.
Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China
2.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3.
Hubei Key Laboratory of Geo-Environmental Engineering, Wuhan 430071, China
4.
China-Pakistan Joint Research Center on Earth Sciences, Islamabad, Pakistan

摘要

摘要: 对月球的探测已进入以月球原位资源利用（ISRU）为主的新阶段，系统掌握月壤特殊的力学响应与工程特性对月球资源开发利用具有重要意义。迄今为止，绝大多数针对月壤及模拟月壤性质的试验研究都是在地球上开展的，忽略了月面环境，尤其是低重力环境对这些性质的影响。地质力学磁力模型试验可以结合磁性相似材料模拟月面g/6的低重力环境。由于目前已有的模拟月壤磁性极弱，无法满足磁力模型试验的要求。因此，研制了一种具有一定磁性的高钛模拟月壤IRSM-1并测试了该模拟月壤的成分及性质。将测试结果与部分月壤及模拟月壤的性质进行了对比分析。结果表明：IRSM-1模拟月壤的化学矿物成分与高钛月壤相似，其物理力学特性在月壤的范围之内，较好地还原了真实月壤的基本特性。此外，IRSM-1还具有一定的磁性，可以作为磁力模型试验的相似材料。
- 月球原位资源利用 /
- 月壤 /
- 地质力学磁力模型试验 /
- IRSM-1模拟月壤
Abstract: The moon exploration has progressed into the stage of in-situ resource utilization (ISRU). Systematically understanding the unique mechanical response and engineering characteristics of the lunar regolith is crucial for the development and exploitation of lunar resources. Most experimental studies on the properties of lunar regolith and its simulants have been conducted on Earth, disregarding the impact of lunar environment, particularly the low gravity, on these properties. The geomechanical magnetic model test, which uses magnetic similar materials, can simulate the low-gravity environment of the lunar surface. However, the existing lunar regolith simulants have weak magnetism and cannot meet the requirements of the magnetic model tests. Thus, a high-titanium lunar simulant IRSM-1 with magnetic properties is introduced, and its composition and properties are tested. The test results are then compared with those of some lunar regolith and existing simulants. The findings reveal that the chemical and mineral compositions of the IRSM-1 simulant is similar to those of the high-titanium lunar regolith, and their physical and mechanical properties are within the range of lunar regolith, which accurately replicates the fundamental characteristics of the real lunar regolith. Moreover, the IRSM-1 simulant has certain magnetism and can be employed as a similar material for magnetic model tests.
- in-situ resource utilization /
- lunar regolith /
- geomechanical magnetic model test /
- IRSM-1 lunar regolith simulant

HTML全文

0. 引言

钙质砂是由珊瑚骨骼、贝类、虫黄藻类等海洋生物残骸沉积而成，其主要组成成分是碳酸钙^[1-3]，是我国南海岛礁吹填的主要材料。因其生成环境、成因以及物质组成等因素影响，钙质砂具有颗粒易破碎、形状极不规则、内孔隙发育、微观结构复杂等显著区别于陆源石英砂的特点^[4-6]。随着“一带一路”国家战略和建设“海洋强国”政策方针的推进，研究钙质砂工程力学特性具有重要意义^[7-9]。

钙质砂作为填方工程的天然材料，其应力状态复杂多变，土体受到各向异性应力状态影响而产生初始静剪应力，在建（构）筑物的自重和动荷载（波浪、地震和交通荷载等）作用下，易引起地基强度降低、变形过大以及液化失稳等灾害。实际上，动荷载作用下剪切应力做功将导致材料损伤效应的累积，不排水条件下表现为孔压增长。因此，可以将孔压的升高与土体颗粒在运动或重排过程中所耗损的能量建立关联。损耗能作为标量，相较于应力、应变等矢量，可直接数学叠加，大幅度降低分析难度。Nemat-Nasser等^[10]首先提出了耗散能量的概念，建立其与残余孔压的关系，来有效地评估孔隙水压力的产生和发展过程。Kokusho^[11]和Pan等^[12]提出了土骨架破坏产生的单位体积耗散能与应变和残余孔压累积直接相关，为评价砂土在不规则循环应力条件下的抗液化能力提供了有效方法。总体而言，上述研究主要针对石英砂，能否适用于钙质砂仍需进一步探究。

本文以饱和钙质砂为研究对象，开展不排水条件下循环剪切三轴试验，探究相对密实度、初始静剪应力以及循环应力对其孔压发展的影响；同时，引入能量法，建立钙质砂孔压与损耗能之间联系，提出基于能量损耗的液化评价方法，为钙质砂地基稳定性分析提供理论依据和技术支撑。

1. 试验材料与方案

1.1 试验材料

本文试验材料为中国南海某岛礁的天然钙质砂，颗粒多呈灰白色，形状有片状、块状、棒状等，颗粒内孔隙多、微观结构复杂，如图 1所示。

图 1 典型钙质砂颗粒电镜扫描（SEM）图像

Figure 1. SEM image of typical calcareous sand particles

下载: 全尺寸图片幻灯片

经过现场取材、清水冲洗、烘干等过程后，对粒径大于5 mm的颗粒进行剔除，处理后颗粒分布级配曲线如图 2所示，主要基本物理性质参数见表 1。不难发现，试样基本不含0.1 mm以下的细颗粒，不均匀系数和曲率系数分别为6.84和0.78，属于不良级配砂土。

图 2 钙质砂颗分级配曲线

Figure 2. Grain-size distribution curve of calcareous sand

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 钙质砂物理性质指标

Table 1. Physical properties of calcareous sand

相对质量密度	d₅₀/ mm	不均匀系数	曲率系数	最大孔隙比	最小孔隙比
2.79	2.0	6.84	0.78	1.15	0.87

下载: 导出CSV

| 显示表格

1.2 试验方案

结合实际工况，采用CKC三轴试验系统模拟复杂应力条件下饱和钙质砂循环剪切试验，先进行有效围压为100 kPa的等向固结后再根据试验设计的初始静偏应力状态进行非等向固结，具体方案如表 2所示。初始静剪应力比SSR和循环应力比CSR可通过式（1）和（2）计算。

表 2 不排水循环剪切试验方案

Table 2. Summary of undrained cyclic triaxial tests

试验系列	相对密实度 D_r	${q_{\text{s}}}$ / kPa	${q_{{\text{cyc}}}}$ / kPa	SSR	CSR	N_f
Ⅰ	70% （密砂）	0	20	0	0.1	232
		0	25	0	0.125	74
		0	30	0	0.15	17
		0	40	0	0.2	6
		20	30	0.1	0.15	168
		20	45	0.1	0.225	19
		20	50	0.1	0.25	3
		50	50	0.25	0.25	53
		50	60	0.25	0.3	11
		50	70	0.25	0.35	6
		80	70	0.4	0.35	14
		80	80	0.4	0.4	7
		-10	25	-0.05	0.125	78
		-10	30	-0.05	0.15	39
		-10	35	-0.05	0.175	8
		-20	20	-0.1	0.1	210
		-20	25	-0.1	0.125	11
		-20	30	-0.1	0.15	8
		-40	20	-0.2	0.1	57
		-40	25	-0.2	0.125	16
		-40	30	-0.2	0.15	8
Ⅱ	30% （松砂）	0	15	0	0.075	943
		0	20	0	0.1	120
		0	25	0	0.125	37
		0	30	0	0.15	18
		24	30	0.12	0.15	61
		24	35	0.12	0.175	16
		24	40	0.12	0.2	5
		40	15	0.2	0.075	175
		40	20	0.2	0.1	9
		50	12.5	0.25	0.0625	17
		50	15	0.25	0.075	2
		-10	12.5	-0.05	0.0625	382
		-10	15	-0.05	0.075	180
		-10	20	-0.05	0.1	11
		-20	10	-0.1	0.05	246
		-20	12.5	-0.1	0.0625	202
		-20	15	-0.1	0.075	12
		-40	5	-0.2	0.025	104
		-40	7.5	-0.2	0.0375	13
		-40	10	-0.2	0.05	2

下载: 导出CSV

| 显示表格

，

${\text{SSR}} = \frac{{{q_{\text{s}}}}}{{2{{p'}_0}}}\text{，}$

(1)

。

${\text{CSR}} = \frac{{{q_{{\text{cyc}}}}}}{{2{{p'}_0}}}。$

(2)

式中： ${q_{\text{s}}}$ 为初始静剪偏应力； ${q_{{\text{cyc}}}}$ 为循环偏应力； ${p'_0}$ 为平均有效正应力。

2. 试验结果与分析

2.1 孔压特性发展规律

图 3给出不同初始偏应力作用下饱和密砂的孔压发展规律曲线。孔隙水压力可分为两类：①随着循环荷载作用实时变化的孔压，即实线所示的瞬态孔压，这种孔压会随着循环荷载的卸载而快速消散；②每个循环加载结束，试样未及时恢复的孔压，即虚线所示的残余孔压。从图 3（a）中可以看出，对于等向固结的试样，残余孔压在前期随着荷载的施加而逐渐累积，而在后期快速增长，直至达到荷载施加前的有效围压，u_lim=100 kPa。如图 3（b）所示，在压缩静偏应力作用下，孔压在加载初期迅速累积，随着循环荷载持续进行，残余孔压逐渐趋于稳定，u_lim=64.6 kPa。在拉伸静偏应力作用下，孔压发展与压缩静偏应力时有类似的变化趋势，孔压在加载初期累积较快而后基本保持不变，u_lim=34.68 kPa。

图 3 钙质砂孔压增长变化规律

Figure 3. Development of pore water pressure of calcareous sand

下载: 全尺寸图片幻灯片

同时，通过式（3）和（4）定义固结应力比K_c和残余孔压比u_r。

，

${K_{\text{c}}} = \frac{{{\sigma _{{\text{v}}0}}}}{{{\sigma _{{\text{h}}0}}}}\text{，}$

(3)

。

${u_{\text{r}}} = \frac{u}{{{\sigma _{{\text{h}}0}}}}。$

(4)

式中： ${\sigma _{{\text{v}}0}}$ 和 ${\sigma _{{\text{h}}0}}$ 分别为初始有效竖向应力和水平应力，u为残余孔压。

图 4给出了饱和密砂的极限残余孔压比和固结应力比的关系曲线。从图中可以看出，饱和密砂的极限残余孔压比随着固结应力比的增大呈先增大后减小的趋势，在K_c=1（等向固结）时，极限残余孔压比达到最大值u_{r, lim}=1，且大致上呈线性分布，与循环应力幅值大小无明显关系。

图 4 极限残余孔压比与固结应力比的关系

Figure 4. Relationship between ultimate residual pore pressure ratio and consolidation stress ratio

下载: 全尺寸图片幻灯片

对于同一材料的砂土，其在循环荷载作用下有效应力路径将沿着平行于等向固结线（ICL）的方向逐渐靠近临界状态线（CSL），而与循环应力幅值无关，如图 5所示。因此，对于给定的初始应力状态（σ_h0，σ_v0），会与临界状态线相交于一点，且理论上初始应力点与最终应力点之间的水平距离 $\Delta u$ 为试验中的极限残余孔压，如式（5）所示。根据u_r和K_c定义，可得到两者关系如式（6），符合图 4所示的线性关系。

，

${u_{\lim }} = \Delta u = {\sigma _{{\text{h}}0}} - \frac{{{\sigma _{{\text{v}}0}} - {\sigma _{{\text{h}}0}}}}{{m - 1}}\text{，}$

(5)

。

${u_{{\text{r, lim}}}} = \frac{{{u_{\lim }}}}{{{\sigma _{{\text{h0}}}}}} = 1 - \frac{{{K_{\text{c}}} - 1}}{{m - 1}}。$

(6)

图 5 初始静剪应力状态对残余孔压影响示意图

Figure 5. Influences of initial static shear stress on residual pore pressure

下载: 全尺寸图片幻灯片

2.2 损耗能演化规律

动荷载作用下饱和砂土损耗的能量主要用于颗粒的相对运动和重新排列。因此，引入能量法，提出基于损耗能的砂土液化评价方法。循环加载过程中一个振次的损耗能W可用应力-应变滞回圈的面积表示，即：

。

$W = \sum\limits_{i = 1}^{n - 1} {\frac{1}{2}} ({q_{i + 1}} + {q_i})({\varepsilon _{{\text{a, }}i + 1}} - {\varepsilon _{{\text{a, }}i}}) 。$

(7)

式中：n为计算增量的总个数， ${q_i}$ 和 ${\varepsilon _{{\text{a, }}i}}$ 分别为第i个增量的偏应力和轴向应变。

图 6分别给出饱和钙质砂在不同初始静偏应力作用下残余孔压比与正交化损耗能的内在关系，正交化损耗能W_n为损耗能W与初始有效水平正应力 ${\sigma _{{\text{h0}}}}$ 的比值。结果显示：饱和密砂的残余孔压初期增长缓慢，随着W_n的增大而较快增长，最后趋于稳定；在饱和松砂中也观察到类似的变化趋势。这说明残余孔压与损耗能的关系主要取决于初始应力条件。

图 6 残余孔压比与损耗能的关系

Figure 6. Relationship between residual pore pressure ratio and dissipated energy

下载: 全尺寸图片幻灯片

从图 7可以看出，饱和钙质砂在失稳破坏时所积累的损耗能随着初始静剪应力的增加而增加；对于同一初始应力状态，密砂所需能量始终大于松砂。研究表明^[13-14]，饱和砂土在循环荷载作用下损耗能主要与初始应力和相对密实度有关，受循环荷载幅值影响极小，具体可用式（8）表示：

${W'_{\text{n}}} = {10^{a\left( {{D_{\text{r}}} - 0.78} \right)}}{10^{b\left( {{\text{SSR}} - 1.0} \right)}}。$

(8)

图 7 损耗能与初始静剪应力比的关系

Figure 7. Relationship between dissipated energy and initial static shear stress ratio

下载: 全尺寸图片幻灯片

式中：a和b为经验参数，根据本次试验数据可分别取0.65，1.5。图 8对损耗能的试验实测值与通过式（8）所得的预测值进行对比，发现两者基本落在斜率为1的对角线两侧，表明能量模型可较好地预测不同试验条件下饱和钙质砂的损耗能。

图 8 损耗能实测值与预测值

Figure 8. Measured and predicted values of dissipated energy

下载: 全尺寸图片幻灯片

3. 结论

（1）饱和钙质砂的极限残余孔压比随固结应力比呈先增大后减小的趋势，在K_c=1时存在最大值，临界状态理论可以解释此现象。

（2）不排水循环加载条件下饱和钙质砂的损耗能与试样的初始静剪应力比和相对密实度有关，受循环应力比影响极小，可通过构建的能量模型较好地预测不同试验条件下饱和钙质砂所累积的损耗能。

图 1 IRSM-1模拟月壤制备流程

Figure 1. Manufacture process of IRSM-1 lunar regolith simulant

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 IRSM-1颗粒扫描电镜图

Figure 2. Scanning electron microscope images of IRSM-1 simulant

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 月壤样品及部分模拟月壤颗粒级配曲线

Figure 3. Grain-size distribution curves of lunar regolith and its simulants

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 IRSM-1模拟月壤三轴压缩条件下的应力应变曲线

Figure 4. Stress-strain curves of IRSM-1 under triaxial compression

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 不同相对密实度下IRSM-1模拟月壤的压缩曲线

Figure 5. Compression curves of IRSM-1 at different relative densities

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 不同Fe₃O₄含量的IRSM-1模拟月壤磁化曲线

Figure 6. Magnetization curves with different contents of Fe₃O₄

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 原材料及月壤矿物成分

Table 1 Mineralogical compositions of materials and lunar regolith

名称	矿物成分
火山灰	斜长石、辉石、橄榄石等
钛磁铁矿	钛铁矿、磁铁矿、辉石等
IRSM-1	斜长石、辉石、钛铁矿、磁铁矿等
Apollo 17样品^[2]	斜长石、辉石、钛铁矿、玻璃等

下载: 导出CSV

表 2 原材料及月壤化学成分

Table 2 Chemical compositions of raw materials and lunar regolith

化学成分	火山灰	钛磁铁矿	月壤样品71, 061^[3]	Apollo 17a^[2]	IRSM-1
SiO₂	49.41	11.99	40.09	41.2	40.24
TiO₂	3.24	24.73	9.32	8.40	8.95
Al₂O₃	18.00	4.82	10.70	12.0	14.89
FeO	13.39	41.42	17.85	16.7	23.19
MnO	0.18	0.33	0.24	0.23	0.27
MgO	3.38	8.89	9.92	9.90	3.53
CaO	6.70	3.23	10.59	10.9	6.26
Na₂O	2.14	0.21	0.36	0.35	—
K₂O	2.50	0.01	0.08	0.16	1.87
P₂O₅	0.62	0.03	0.07	0.14	0.30
S	0.14	4.05	0.13	0.12	1.31
总计	99.69	99.69	99.35	100.1	99.69

下载: 导出CSV

表 3 IRSM-1与部分月壤的相对质量密度、密度和孔隙比

Table 3 Comparison of specific gravity, density and void ratio

名称	相对质量密度	密度/(g·m^-3)		孔隙比
名称	相对质量密度	ρ_min	ρ_max	e_min	e_max
IRSM-1	3.26	1.26	1.99	0.64	1.59
Apollo 11	3.10	1.36	1.80	0.67	1.39
Apollo 14	2.93	0.87	1.60	0.87	2.37
Apollo 15	3.24	1.10	1.93	0.71	1.94
Apollo 17		1.57	2.29

下载: 导出CSV

表 4 IRSM-1及其它模拟月壤的力学特性

Table 4 Mechanical properties of IRSM-1 and other simulants

名称	黏聚力/kPa	内摩擦角/(°)	压缩指数C_c
IRSM-1	0.90	44.34	0.036~0.13
月壤	0.3~2.1	35~47	0.05~0.3
TJ-1	0.86	47.6	0.086
KLS-1	1.85	44.91	0.29

下载: 导出CSV

参考文献(7)

[1]	HEIKEN G, VANIMAN D T, FRENCH B M. Lunar sourcebook: a user's guide to the moon[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1991.
[2]	欧阳自远. 月球科学概论[M]. 北京: 中国宇航出版社, 2005. OUYANG Z Y. Introduction to lunar science[M]. Beijing: China Aerospace Publishing House, 2005. (in Chinese)
[3]	TOKLU Y C, AKPINAR P. Lunar soils, simulants and lunar construction materials: an overview[J]. Advances in Space Research, 2022, 70(3): 762-779. doi: 10.1016/j.asr.2022.05.017
[4]	RYU B H, WANG C C, CHANG I. Development and geotechnical engineering properties of KLS-1 lunar simulant[J]. Journal of Aerospace Engineering, 2018, 31(1): 04017083. doi: 10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0000798
[5]	JIANG M J, LI L Q, SUN Y G. Properties of TJ-1 lunar soil simulant[J]. Journal of Aerospace Engineering, 2012, 25(3): 463-469. doi: 10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0000129
[6]	罗先启, 毕金锋. 地质力学磁力模型试验原理及其在工程中的应用[J]. 岩土力学, 2018, 39(1): 367-374. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201801045.htm LUO Xianqi, BI Jinfeng. Principle and engineering application of geomechanics magnetic model test[J]. Rock and Soil Mechanics, 2018, 39(1): 367-374. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201801045.htm
[7]	LI R L, ZHOU G Q, YAN K, et al. Preparation and characterization of a specialized lunar regolith simulant for use in lunar low gravity simulation[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2022, 32(1): 1-15. doi: 10.1016/j.ijmst.2021.09.003

施引文献

资源附件(0)

图(6) / 表(4)

计量

文章访问数: 169
HTML全文浏览量: 24
PDF下载量: 47
被引次数: 0

0. 引言
1. 试验材料与方案
1.1 试验材料
1.2 试验方案
2. 试验结果与分析
2.1 孔压特性发展规律
2.2 损耗能演化规律
3. 结论

磁性高钛模拟月壤IRSM-1的研制及其性质研究 English Version

作者简介: 周宁希(1999—)，男，博士研究生，主要从事月壤及模拟月壤力学性质方面的研究工作。E-mail: zhouningxi20@mails.ucas.ac.cn

通讯作者: 陈健, E-mail: jchen@whrsm.ac.cn

计量

出版历程