基于Burger’s蠕变模型的采矿车行驶海底稀软底质下陷研究

赵化淋, 孙永福, 贾超, 卫如春, 邓浩, 吴滔. 基于Burger’s蠕变模型的采矿车行驶海底稀软底质下陷研究[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2024, 44(1): 179-190. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2022120202
引用本文: 赵化淋, 孙永福, 贾超, 卫如春, 邓浩, 吴滔. 基于Burger’s蠕变模型的采矿车行驶海底稀软底质下陷研究[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2024, 44(1): 179-190. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2022120202
ZHAO Hualin, SUN Yongfu, JIA Chao, WEI Ruchun, DENG Hao, WU Tao. The subsidence by mining car traveling on deep-sea soft bottom based on Burger's creep model[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2024, 44(1): 179-190. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2022120202
Citation: ZHAO Hualin, SUN Yongfu, JIA Chao, WEI Ruchun, DENG Hao, WU Tao. The subsidence by mining car traveling on deep-sea soft bottom based on Burger's creep model[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2024, 44(1): 179-190. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2022120202

基于Burger’s蠕变模型的采矿车行驶海底稀软底质下陷研究

  • 基金项目: 国家重点研发计划项目“新型采矿模式采矿环境影响研究”(2021YFC2801705)
详细信息
    作者简介: 赵化淋(1997—),男,硕士研究生,主要从事海洋地质、海洋岩土工程等方面的研究,E-mail:zhaohualin2020@163.com
    通讯作者: 贾超(1976—),男,博士,教授,主要从事海洋地质、水工环地质和岩土工程等方面的教学研究工作,E-mail:jiachao@sdu.edu.cn
  • 中图分类号: P751

The subsidence by mining car traveling on deep-sea soft bottom based on Burger's creep model

More Information
  • 在陆地矿产资源日渐枯竭的今天,深海矿产资源已成为全球各个国家争相开采与利用的焦点,深海采矿车是实现深海矿产资源开采的重要装备。海底稀软底质是一种承载力与抗剪强度极低的特殊底质,在采矿作业中,深海稀软底质的物理力学特性直接影响采矿车行走的稳定性。文章选取Burger’s接触模型作为深海稀软底质的本构模型,对某海域海底稀软原状土开展室内三轴试验,通过PFC3D颗粒流数值模拟实验对比实际三轴试验,对稀软底质的Burger’s蠕变模型进行参数标定,同时依据标定结果改变相应参数,针对5种不同底质条件的工况,建立海底采矿车的数字仿真模型,模拟各工况下采矿车在不同行驶速度时的下陷深度。结果显示,下陷深度会随行驶速度呈非线性变化,在一定范围内随着行驶速度的增大而减少并逐渐趋于稳定。同时结果还表明,该区域海底稀软底质具有更高的黏粒含量(38.1%~48.4%)、含水率( 88.13%~137.79%)和压缩性(压缩系数:1.86~3.73 MPa−1,压缩模量:1.26 ~2.13 MPa),具有更低的密度(1.3 ~1.5 g/cm3)和强度特性(贯入阻力:0.19 ~1.32 N,黏聚力:3.7~6.9 kPa,内摩擦角:2.4°~3.9°),即承载力较低,蠕变性能较强。本研究在宏观上做了一般的探讨,为类似参数的稀软底质下海底采矿车的运行安全控制提供了较好借鉴与依据。

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  • 图 1  Burger’s蠕变模型

    Figure 1. 

    图 2  伺服电机控制动三轴试验系统

    Figure 2. 

    图 3  不同围压条件下的应力-应变曲线

    Figure 3. 

    图 4  常规三轴试验数值模型

    Figure 4. 

    图 5  室内试验与数值模拟对比结果

    Figure 5. 

    图 6  鲲龙500深海采矿车

    Figure 6. 

    图 7  深海采矿车三维简化模型

    Figure 7. 

    图 8  海底地层计算模型

    Figure 8. 

    图 9  采矿车海底行驶计算模型

    Figure 9. 

    图 10  固相与液相耦合过程示意图

    Figure 10. 

    图 11  各工况下不同车速下的下陷曲线

    Figure 11. 

    表 1  Burger’s蠕变模型参数

    Table 1.  The parameters of Burger’s creep model

    作用方向 Maxwell体 Kelvin体 滑动摩擦系数
    f
    弹性系数Em/MPa 黏性系数ηm/(MP·s) 弹性系数Ek/MPa 黏性系数ηk/(MP·s)
    法向 bur_knm bur_cnm bur_knk bur_cnk bur_fric
    切向 bur_ksm bur_csm bur_ksk bur_csk
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    表 2  Burger’s蠕变模型参数对瞬时强度特性的影响

    Table 2.  The effect of Burger’s creep model parameters on instantaneous strength characteristics

    瞬时强度特性 Maxwell体 Kelvin体 滑动摩擦系数f
    弹性系数Em 黏性系数ηm 弹性系数Ek 黏性系数ηk
    弹性模量 正相关 不相关 不相关 不相关 正相关
    泊松比 正相关 不相关 不相关 不相关 负相关
    单轴抗压强度 正相关 不相关 不相关 不相关 正相关
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    表 3  Burger’s蠕变模型参数对蠕变特性的影响

    Table 3.  The effect of Burger’s creep model parameters on creep characteristics

    瞬时强度特性 Maxwell体 Kelvin体 滑动摩擦
    系数f
    弹性系数
    Em
    黏性系数
    ηm
    弹性系数
    Ek
    黏性系数
    ηk
    瞬时应变量 负相关 不相关 不相关 不相关 负相关
    起始应变量 不相关 不相关 不相关 不相关 不相关
    起始应变率 不相关 负相关 不相关 负相关 不相关
    稳定应变量 负相关 负相关 负相关 不相关 不相关
    稳定应变率 不相关 不相关 不相关 不相关 不相关
    瞬时恢复量 负相关 不相关 不相关 不相关 不相关
    弹性后效回复率 不相关 不相关 负相关 负相关 不相关
    残余应变量 不相关 负相关 不相关 不相关 不相关
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    表 4  研究海域海底底质物理力学性质范围

    Table 4.  Physical and mechanical properties of seabed sediments in the study area

    物理性质结果范围力学性质结果范围
    天然含水率/%88.13~137.79粘聚力
    /kPa
    3.7~6.9
    天然密度/(g/cm31.3~1.5内摩擦角
    /(°)
    2.4~3.9
    孔隙比2.46~3.85压缩系数/MPa−11.86~3.73
    液性指数0.96~1.97压缩模量/MPa1.26~2.13
    塑性指数37.2~57.8贯入阻力
    /N
    0.19~1.32
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    表 5  三轴试验方案

    Table 5.  Triaxial test scheme

    试验次数试样尺寸

    (直径/mm×高度/mm)
    剪切类型围压
    /kPa
    加载速率
    /
    (mm/min)
    138×76固结排水1000.008
    238×76固结排水1500.008
    338×76固结排水2000.008
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    表 6  模型微观力学参数

    Table 6.  Micromechanical parameters of the model

    参数类型 Maxwell体 Kelvin体 滑动摩擦
    系数
    f
    弹性系数
    Em/MPa
    黏性系数
    ηm/(MP·s)
    弹性系数
    Ek/MPa
    黏性系数
    ηk/MP·s
    参数取值 0.2 10 1.5 0.03 0.1
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    表 7  不同工况下的模型微观力学参数

    Table 7.  The micromechanical parameters of the model under different working conditions

    工况 Maxwell体 Kelvin体 滑动摩擦
    系数f
    弹性系数
    Em/MPa
    黏性系数
    ηm/(MP·s)
    弹性系数
    Ek/MPa
    黏性系数
    ηk/(MP·s)
    1 0.2 10 1.5 0.03 0.1
    2 0.1 10 1.5 0.03 0.1
    3 0.3 10 1.5 0.03 0.1
    4 0.2 5 1.5 0.03 0.1
    5 0.2 15 1.5 0.03 0.1
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    表 8  不同工况下采矿车各行驶速度的下陷数据

    Table 8.  Subsidence data of a mining car at different driving speeds under different working conditions

    参数 工况 行驶速度
    0 0.5/(m/s) 1.0/(m/s) 1.5/(m/s) 2.0/(m/s)
    稳定
    时间
    /s
    19.57.46.85.83.5
    29.67.86.56.13.8
    39.58.06.35.63.2
    49.78.97.97.06.3
    58.26.35.64.92.6
    稳定
    下陷量/m
    10.3310.1830.1620.1320.114
    20.3720.2260.1840.1650.130
    30.2810.1630.1370.1160.091
    40.3350.1860.1630.1300.115
    50.3310.1790.1590.1290.109
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出版历程
收稿日期:  2022-12-02
修回日期:  2023-05-19
刊出日期:  2024-02-28

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