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在探月工程中,需要研究月球探测器与月壤的相互作用,但真实月壤样品极少,故只能用性质相近的模拟月壤来代替真实月壤,且月壤的约束应力只有对应于它处在地球上相同深度时的六分之一,导致月壤所处的真实应力状态远小于常规土力学试验所采用的应力状态。因此目前对低应力下月壤的力学性能认识不足,亟需开展低应力下模拟月壤力学特性的研究,阐明低应力下月壤的力学性能,以便满足探月工程中大量科学研究的需要,更好地评价月壤的钻取性能,对顺利实现“月壤采样”具有重要的理论和实际应用意义。本文采用清华大学研制的QH-E模拟月壤进行了一系列低约束应力（0～25 kPa）和常规约束应力（50～150 kPa）及不同相对密度情况下的三轴压缩实验,得到不同应力水平和相对密度下模拟月壤的力学性能,并依据试验测试给出了离散元数值模拟所需的细观参数;接着采用PFC3D对QH-E模拟月壤进行了不同应力水平（低围压、常规围压）和不同应力路径（常规三轴压缩、等主应力P三轴压缩、各向等压）下的离散元数值模拟,分析了模拟月壤在不同应力水平和应力路径下的强度和体变特性及其异同。论文主要研究内容和结果如下:（1）采用STX 土工动三轴仪,系统开展了不同相对密度QH-E模拟月壤试样在低应力水平下的力学特性试验研究,阐明了 QH-E模拟月壤在不同围压和相对密度下的应力-应变-体变规律。研究表明QH-E模拟月壤具有明显的应变软化和剪胀特征。在低围压下,相对密度较大的试样（83%、92%）,偏应力到达峰值之后趋于稳定,而对于相对密度较小的试样（74%）,偏应力则持续减小,并不收敛;在低围压下,试样在达到峰值偏应力后,相应的体变曲线均有明显的拐点,并随围压的增加,体变继续缓慢增加;常规围压下,体变出现拐点后,随围压的增加逐渐趋于稳定。在低围压范围内,剪胀角在10～40°范围内变化;剪胀角随相对密度的增大而增大,随围压的增加而降低,但常规围压下,剪胀角降低的速率逐渐变缓,且表现出逐渐稳定的趋势。（2）基于试验获得的QH-E模拟月壤细观参数,针对相对密度为83%的试样,采用PFC3D离散元软件建立了相同尺寸的圆柱体试样,开展了常规三轴压缩（CTC）路径下的QH-E模拟月壤强度和体变特性及破坏机制的研究。模拟结果表明:QH-E模拟月壤在CTC路径下获得的应力-应变曲线与试验曲线基本一致,表现出明显的应变软化和剪胀特性;偏应力-轴向应变曲线分为峰值偏应力前的硬化阶段和峰值应力后的软化阶段,软化阶段又分为快速软化阶段和残余应变阶段;体应变-剪应变曲线分为线性剪胀阶段和残余剪胀阶段;随围压的增大,峰值偏应力增加、与峰值应力对应的轴向应变增加,残余应力也增加。相同围压下,初始孔隙率越大,峰值偏应力越小,残余应力也越小;颗粒摩擦系数越大,峰值偏应力越大,残余应力也越大。CTC路径下,试样在初始阶段出现少量的剪缩,随后发生较长时间的剪胀,并随着加载的进行,试样发生软化,在其内部产生剪切带,直至破坏。在低围压下,试样内部出现“V”字型双剪切带,在常规围压下,试样内部主要以剪切面大约成52°的单剪切带发生破坏。（3）考虑到应力路径对月壤力学性能的影响,进一步采用PFC3D离散元方法实现了等主应力P三轴压缩（PTC）和各向等压（HC）路径下的模拟,结果表明:QH-E模拟月壤在PTC路径下仍表现出明显的应变软化和剪胀特性。其偏应力-轴应变曲线和体变-剪应变曲线的发展阶段同CTC路径下一致。从应力-应变曲线可以看出,围压越大,峰值偏应力越大,残余应力也越大。相同围压下,初始孔隙率e越大,峰值偏应力越小,残余应力也越小;颗粒摩擦系数f越大,峰值偏应力越大,残余应力也越大。剪胀分为在线性剪胀和残余剪胀阶段,无论在线性剪胀和残余剪胀阶段,同围压P均呈良好的线性关系,但残余剪胀阶段比线性剪胀阶段的增长率小,且围压P越大,体应变在残余剪胀阶段越趋于稳定。（4）各向等压（HC）路径下的模拟结果表明:随着围压的增大,QH-E模拟月壤的体变εv逐渐增大。低围压下,εv增长较快,但随着围压逐渐升高到常规围压水平,曲线变得越来越平缓,εv增长缓慢。相同围压下,初始孔隙率e越大,εv越大,颗粒摩擦系数f越大,εv越小;在低围压下,不同e引起的εv差距并不大,但随着围压逐渐升高到常规围压水平,εv的差距越来越大。不同f引起的εv减小量比在常规围压下引起的εv减小量要小。（5）两种不同应力路径CTC和PTC下,QH-E模拟月壤的破坏特征均为剪胀破坏,但CTC路径下,试样在初始阶段出现少量的剪缩;PTC路径下,初始阶段几乎不出现剪缩,随后发生较长时间的剪胀。随着加载进行,QH-E模拟月壤发生软化并在内部产生剪切带,直至破坏。两种不同路径下,剪胀特征参数（线性剪胀参数αL、残余剪胀参数αR和残余剪胀点εsr）同围压P均呈现良好的线性关系,且αL的值总大于αR的值,围压P越大,体应变在残余剪胀阶段越趋于稳定。在相同围压下,CTC路径比PTC路径所得的峰值偏应力大,且围压越大,两种不同路径下所得的峰值偏应力相差越大,当围压增加到常规围压水平,两种不同应力路径对QH-E模拟月壤强度影响的差别更大。