月球上蕴藏有丰富的可利用资源,已知的矿物达100多种,稀土元素约有225-450亿吨,其中氦-3(一种清洁的核聚变材料)约有100-500万吨,是地球上蕴藏量的几十万倍。此外,月球表面表现出低重力、高真空、无磁场以及高温差等特殊的环境。如若在其上建立永久的月球基地,将对天文学、物理学等学科的研究工作有着重大的价值,同时可以缓解地球上的人口压力以及资源压力等问题。基于以上原因,从上世纪50年代起,世界多个国家相继投入大量人力物力用于月球的探测,在此过程中,美国成为了世界上第一个成功登月的国家。我国的嫦娥月球探测计划从2004年起取得了重大的进展。未来人类开发月球资源以及建立月球基地时,将会不可避免的遇到月壤的开挖问题。由于月面的特殊环境以及月壤独特的力学特性,使得已有的基于地面环境下的地球土壤而得出的开挖经验和理论并不一定适用于月壤的开挖。故而,本文采用室内模型箱试验与有限元数值分析相结合的方法对月壤的替代材料—TJ-1模拟月壤开挖问题进行了一系列研究,并将两种方法得到的结果进行对比分析,为设计合理的开挖设备和方案提供依据。主要内容和结论如下:(1)对TJ-1模拟月壤进行了不同开挖深度、推板宽度、开挖倾角、推板弧度的试验研究,着重分析了开挖阻力、推板前土坡、推板后土槽以及地基中土压力的变化。结果表明:开挖阻力随推板向前推进迅速增大,达到峰值后逐渐趋于稳定。开挖阻力随开挖深度、推板宽度、开挖速度、推板弧度的增大而增大,随开挖倾角的增大而减小。其中水平开挖阻力F与开挖深度h和推板宽度w的关系可以分别拟合为F=ah2+bh和F=aw+b,其中a、b、c、d均为拟合参数。开挖过程中,推板前侧土体快速堆积,推板后侧土体相应的产生凹槽,随着推板的推进,板前的土堆和板后的土槽形状逐渐稳定并持续到开挖结束。与开挖阻力表现出的规律相同,板前土堆和板后土槽的尺寸随着开挖深度、开挖宽度、开挖速度以及圆弧形推板弧度的增大而增大,随着开挖角度的增大而减小。地基中开挖深度以下的土压力随着推板靠近逐渐增大,在距离约为100mm时土压力达到峰值,而后随着推板的远离而减小,并达到稳定值;地基表面埋设的土压力用于监测推板前受扰动土体的范围,受扰动范围也随着开挖深度、推板宽度、开挖速度、推板弧度的增大而增大,随着开挖角度的增大而减小。(2)采用商业有限元软件ABAQUS中自带的理想弹塑性本构模型对TJ-1模拟月壤先进行了三轴试验和静载荷试验的模拟,并将结果与室内试验结果对比以验证模型的适用性。随后模拟了一系列的开挖试验,分析了开挖阻力的变化及地基中的变形等信息,并将结果与室内试验结果对比。结果表明:本模型可以较好的模拟TJ-1模拟月壤的力学特性和承载特性,可以用于开挖试验的模拟。采用直接对土体施加位移的方式进行开挖,结果表明开挖阻力以及地基内土体的影响范围均随开挖深度、开挖宽度、开挖速度、推板弧度的增大而增大,与室内试验的结果相符合。但开挖阻力随着开挖角度的增大而增大,与室内试验的结果相反。而后采用推板加载的方式对土体进行了不同角度的开挖,结果表明,数值模拟的结果定性上与室内试验的结果相符,即开挖阻力随着开挖角度的增大而显著减小,但所得的数值与室内试验结果相比较大。