履带式深海采矿车软底质行走性能分析

海底底质的物理力学参数不同于陆地土壤,其极低的抗剪强度和承压强度对深海采矿车的行走性能提出高要求。分析基于车辆地面力学理论,开展了底质土力学特性试验研究,建立了深海底质力学模型。根据深海重载作业采矿车样机结构参数,在大型动力学仿真软件Recurdyn中建立了仿真模型。通过直线行走多体动力学仿真与直线行走海试试验的对比,验证了仿真模型的准确性。在此基础上开展了采矿车样机在深海软底质上的多种行走工况动力学仿真,分析与评价其行走性能。结果表明,采矿车样机可以顺利完成转弯、爬坡、越障等基本功能。该研究成果可为深海采矿车海底行走性能评估提供理论参考,为深海采矿车和软底质的相互作用力学研究提供借鉴。

西矿区深海稀软底质剪切强度和贯入阻力原位测试

为获得深海稀软底质的力学参数及其相关经验公式,采用原位测试的方法,基于十字板剪切和浅层静力触探试验,在东太平洋中国开辟区西矿区的深海稀软底质进行剪切强度和贯入阻力测试,获得41个测点的测量数据。测量结果表明:剪切强度和贯入阻力在峰值强度前随试验深度的增加而增大,峰值强度后小幅度降低,其峰值强度均出现在40～45 cm层,分别为11.8 kPa和100 kPa;0～8 cm层底质的抗剪性能和承压性能极差,无工程意义;14～20 cm层底质的抗剪性能和承压性能均匀,剪切强度从6 kPa缓慢降低至5.8 kPa,贯入阻力从46 kPa缓慢增加至50 kPa,可作为行走履带的剪切牵引层和持力层,履齿应全部或部分落在14～20 cm层,齿高至少应为6 cm,作用于履齿的剪切强度设计值为3～4 kPa,履带板下陷后的位置应在14 cm以下。建立的回归经验公式能客观反映底质的抗剪特性和承压特性,可为集矿机的设计尤其对行走履带和接地比压的确定提供理论依据。

深海稀软底质土宏观性能与显微结构分析

针对取样于太平洋C-C矿区的深海稀软底质土,采用激光粒度分析、液塑限联合测定、氮吸附、固结和直剪等方法对其开展物理和力学性能研究,并通过X射线衍射法和电镜法分析其矿物组成成分和微观结构。研究结果表明:深海稀软底质土为以粉粒为主的黏质土,具有高液限、高塑性,高比表面积、高固结系数、低压缩模量、低抗剪强度等特性,极易造成集矿机的沉陷和打滑。该土样的矿物成分主要由蒙脱石、石英、长石、云母、绿泥石和蛇纹石组成,显微结构为以粉粒和微生物碎片为主的片状链接结构和以黏土矿物为主的蜂窝状絮凝结构相互填充而成。深海稀软底质模拟土的配置原则应以矿物成分、粒径、含水率、比表面积和剪切强度为主,且综合考虑液限、塑限和显微结构。研究结果将为深海集矿机行走特性研究及其优化设计提供重要依据。

深海稀软底质模拟土三轴压缩蠕变模型的试验研究

基于太平洋C-C矿区的深海稀软底质土,选取4种膨润土(S1,S2,S3和S4)与水按调和配制出最佳模拟土;通过固结排水三轴压缩蠕变试验测得该模拟土在相同围压、不同轴压下的蠕变曲线,并采用不同的流变模型对其蠕变曲线进行参数识别,以确定该模拟土压缩蠕变本构模型。研究结果表明:模拟土S3为最佳模拟土,其在相同围压、不同轴压下的三轴压缩蠕变曲线具有相同变化趋势,均可分为瞬时蠕变、非稳定蠕变、稳定蠕变3个阶段,瞬时蠕变变形和非稳定蠕变阶段时长均随着轴压的增大而增大;K-H模型能精确地反映该模拟土的三轴压缩蠕变特性,取蠕变参数的平均值作为材料参数来建立深海稀软底质模拟土的压缩蠕变本构方程,可为深海集矿机的沉陷预测与安全评定提供依据。

马里亚纳海沟表层沉积物物理性质与微观结构初探

针对取样于141°48.700 8'E,11°11.698 8'N,深度为8 638 m的马里亚纳海沟海底表层沉积物,考虑该沉积物中的孔隙水为海水,提出一种测定其基本物理性质指标的修正方法,并测定其相关的物理性质指标,最后通过扫描电子显微镜观察其微观结构。研究结果表明:本次取样处的深海海底表层沉积物具有极高的含水率、高孔隙率、低密度、低比重、高饱和度等特性。考虑海水中盐分影响的修正后,该土样的含水率比修正前提高了11.68%,比重比修正前降低了7.66%。该沉积物显微结构以絮凝结构为主,中间夹杂着大量多孔隙的硅藻碎片和生物体的空壳,这使得该沉积物中的孔隙数量增多。研究结果将有助于了解马里亚纳海沟地区的深海沉积环境和历史,为深海集矿车的设计提供参考。