在未來(lái)的探月計(jì)劃中的基地建設(shè)和資源開(kāi)采等活動(dòng),不可避免地涉及月壤快速削坡過(guò)程.然而,月面環(huán)境與地球環(huán)境相差很大,比如低重力、高真空等,故而從地面環(huán)境得到的有關(guān)快速削坡的認(rèn)知不可直接運(yùn)用到月面環(huán)境.因此,有必要研究月面特殊環(huán)境對(duì)月壤快速削坡試驗(yàn)的影響.本文將顆粒間的抗轉(zhuǎn)動(dòng)作用和范德華力引入月壤微觀接觸模型,并植入到顆粒流軟件（particle flow code,PFC）中進(jìn)行3種環(huán)境下（月面環(huán)境、不考慮范德華力月面環(huán)境、地面環(huán)境）月壤快速削坡試驗(yàn)?zāi)M,對(duì)比分析了重力場(chǎng)和范德華力對(duì)快速削坡試驗(yàn)中流滑距離、坡后沉降及最終傾角的影響.結(jié)果表明:相對(duì)于地面環(huán)境,月面環(huán)境下得到的流滑距離和坡后沉降都偏小而最終傾角偏大,表明月面環(huán)境邊坡更趨于穩(wěn)定而不易發(fā)生滑坡;進(jìn)一步分析表明,月面環(huán)境對(duì)快速削坡實(shí)驗(yàn)的影響主要是由月面環(huán)境下低重力場(chǎng)引起的,而高真空和高溫差引起的范德華力的影響可以忽略不計(jì). 

【文章來(lái)源】：鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版). 2019,51(01)北大核心

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【部分圖文】：

圖1月壤微觀接觸模型［7－8］Fig．1Microcontactmodeloflunarsoil［7－8］

肪誠(chéng)略氯老髕率匝槔肷⒃?治?2月壤邊坡模型建立在采用離散單元法模擬月壤滑坡試驗(yàn)過(guò)程中，若直接采用與真實(shí)月壤顆粒相同的級(jí)配，就會(huì)導(dǎo)致顆粒粒徑跨度過(guò)大，所需顆粒數(shù)目非常多，考慮到計(jì)算機(jī)能力及計(jì)算效率，對(duì)月壤級(jí)配做合理簡(jiǎn)化［7－8］．根據(jù)Mitchell［22］等測(cè)得真實(shí)月壤的黏聚力值范圍為0.1～1.0kPa，內(nèi)摩擦角范圍為30°～50°，通過(guò)模擬雙軸試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)月壤宏觀參數(shù)標(biāo)定，微觀參數(shù)與文獻(xiàn)［7－8］一致，得黏聚力c=0.2kPa，內(nèi)摩擦角約為φ=42.6°，處于真實(shí)月壤的范圍之內(nèi)．圖2為采用離散單元法的數(shù)值模擬過(guò)程中邊坡形成的示意圖．本次模擬中坡體的形成主要經(jīng)歷3個(gè)階段:首先采用文獻(xiàn)［23］提出分層欠壓法生成相對(duì)密實(shí)均勻的地基，兩側(cè)墻及底墻為無(wú)摩擦的剛性墻，頂部為自由邊界，地基寬度為5m，初始高度為2.5m，顆粒總數(shù)為1.5×105．其次，試樣需要在1/6g重力場(chǎng)下完成固結(jié)平衡，來(lái)模擬真實(shí)月面環(huán)境下地應(yīng)力水平，固結(jié)完成后地基中水平應(yīng)力及孔隙比分布如圖3所示，可知固結(jié)平衡后的地基初始應(yīng)力數(shù)值解和理論解基本一致，且孔隙比分布均勻．最后，需要對(duì)地基進(jìn)行切坡處理，此處選取初始坡角為60°，略大于月陸地區(qū)的極值55.7°，在其重力場(chǎng)下自由滑塌過(guò)程，這有助于模擬可能出現(xiàn)最危險(xiǎn)的滑坡災(zāi)害．在具有月壤特性的坡體形成后，坡體需要分別在地面環(huán)境(1g)、不考慮范德華力月面環(huán)境或稱(chēng)簡(jiǎn)化月面環(huán)境(1/6g)及月面環(huán)境(1/6g+范德華力)下完成滑坡試驗(yàn)，達(dá)到系統(tǒng)的第2次平衡，同時(shí)記錄滑坡過(guò)程的微觀信息．為了保證月壤材料性質(zhì)不變，同時(shí)保證破壞過(guò)程只有單一重力場(chǎng)，坡體破壞的觸發(fā)方法既不是強(qiáng)度折減法也不是重力增加法，僅僅

5.7°，在其重力場(chǎng)下自由滑塌過(guò)程，這有助于模擬可能出現(xiàn)最危險(xiǎn)的滑坡災(zāi)害．在具有月壤特性的坡體形成后，坡體需要分別在地面環(huán)境(1g)、不考慮范德華力月面環(huán)境或稱(chēng)簡(jiǎn)化月面環(huán)境(1/6g)及月面環(huán)境(1/6g+范德華力)下完成滑坡試驗(yàn)，達(dá)到系統(tǒng)的第2次平衡，同時(shí)記錄滑坡過(guò)程的微觀信息．為了保證月壤材料性質(zhì)不變，同時(shí)保證破壞過(guò)程只有單一重力場(chǎng)，坡體破壞的觸發(fā)方法既不是強(qiáng)度折減法也不是重力增加法，僅僅只是高坡角下自重滑塌．圖2數(shù)值模擬中邊坡模型Fig．2TheslopemodelinDEManalyses圖31/6重力場(chǎng)下地基初始應(yīng)力水平及孔隙比分布Fig．3Distributionofinitialstressandvoidratiointhegroundunder1/6g3模擬結(jié)果分析3.1變形圖圖4給出了地面環(huán)境和月面環(huán)境下滑坡過(guò)程變形示意圖．無(wú)論地面環(huán)境還是月面環(huán)境都經(jīng)歷3個(gè)階段:啟滑階段、滑動(dòng)階段及穩(wěn)定階段．啟滑階段，地面環(huán)境與月面環(huán)境下滑坡臨空面出現(xiàn)輕微的滑動(dòng)，幾乎看不出明顯的差異．滑動(dòng)階段，通過(guò)網(wǎng)格變形能夠看出大致的滑動(dòng)面，地面環(huán)境的滑坡體區(qū)域比月面環(huán)境下滑坡體區(qū)域大，這是因?yàn)榈孛姝h(huán)境的重力場(chǎng)為1g，遠(yuǎn)大于月面環(huán)境下的重力場(chǎng)1/6g，較高的重力場(chǎng)使得顆粒具有的勢(shì)能越大，下滑過(guò)程做功也越大，影響的范圍也越大．通過(guò)將滑坡體表面局部放大，發(fā)現(xiàn)月面環(huán)境下滑坡體的滑坡表面較為粗糙，出現(xiàn)微小的張拉裂隙．這主要是因?yàn)樵旅姝h(huán)境下顆粒之間因范德華力作用，能夠相互吸引，抱成團(tuán)簇順坡滾動(dòng)，帶走部分黏附顆粒，使得其臨空滑動(dòng)面坑坑洼洼，表面粗糙，而地面環(huán)境下模擬月壤顆粒之間摩擦力很小，呈現(xiàn)散粒體的滑動(dòng)，表面容易形成光滑面．更進(jìn)一步，月面環(huán)境下滑坡體傾斜角度比地面環(huán)境下要更為陡峭，

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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