基于颗粒流理论的深海沉积物剪切特性模拟研究-sup-①-_sup-_李力.pdf

基于颗粒流理论的深海沉积物剪切特性模拟研究 ① 李 力１,２, 吕敬科１ （１．中南大学 机电工程学院，湖南 长沙 ４１００８３； ２．深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室，湖南 长沙 ４１００１２） 摘 要 基于深海沉积物的微观物理性质，提出以膨润土、硅藻土和水等物料为主成分的模拟沉积物配方，配制了与深海沉积物相 似的模拟沉积物，并开展其十字板剪切实验，从宏观上获得其应力⁃转角的剪切特性曲线。 基于颗粒流理论，采用接触粘结模型，构 建了具有高孔隙比、高含水率和粘聚力等特性的沉积物颗粒流模型，开展其十字板剪切过程数值模拟，从细观上获得其应力⁃转角 的剪切特性曲线。 研究表明，模拟沉积物具有与深海沉积物相同的极低剪切强度和剪切变稀特性，其剪切特性的细观数值模拟曲 线与宏观实验曲线吻合，验证了粘性的沉积物颗粒流模型和数值模拟方法的正确性，探明了沉积物颗粒的细观参数，表明粘结强度 决定沉积物宏观的剪切强度，为海底采矿车行走性能实验和从细观层面研究深海沉积物剪切特性提供了坚实基础。 关键词 深海沉积物； 模拟沉积物； 剪切特性； 十字剪切板实验； 颗粒流理论 中图分类号 ＴＵ４５８文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１７．０６．００１ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１７）０６－０００１－０６ Ｓｉmｕｌａtｉｏｎ ｏf Ｓｈｅａｒ Pｒｏpｅｒtｉｅs ｏf Ｄｅｅp-Ｓｅａ Ｓｅｄｉmｅｎt Bａsｅｄ ｏｎ Pａｒtｉcｌｅ Ｆｌｏw Ｔｈｅｏｒｙ ＬＩ Ｌｉ１，２， Ｌ Ｊｉｎｇ⁃ｋｅ１ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｅｐ Ｓｅａ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００１２， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂstｒａct Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ ｄｅｅｐ⁃ｓｅａ ｓｅｄｉｍｅｎｔ， ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ， ｄｉａｔｏｍｉｔｅ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ａｓ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｉｎｇｒｅｄｉｅｎｔｓ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｎｄ ｖａｎｅ ｓｈｅａｒ ｔｅｓｔｓ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｓｈｅａｒ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｓ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｅｓｔｓ， ａ ｓｈｅａｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｖｉｅｗ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｃｏｎｔａｃｔ ｂｏｎｄｉｎｇ ｍｏｄｅｌ， ａ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｆｌｏｗ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｒａｔｉｏ， ｈｉｇｈ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｈｅｓｉｖｅ ｆｏｒｃｅ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ， ａｎｄ ａ ｓｈｅａｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ⁃ｒｏｔａｔｉｏｎ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｎｅ ｓｈｅａｒ ｔｅｓｔ ｆｒｏｍ ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｖｉｅｗ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ａｌｓｏ ｈａｓ ｔｈｅ ｌｏｗ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｓｈｅａｒ ｔｈｉｎｎｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， ｓｉｍｉｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｅｐ⁃ｓｅａ ｓｅｄｉｍｅｎｔ， ａｎｄ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｉｓ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃｕｒｖｅ， ｗｈｉｃｈ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｆｌｏｗ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ． Ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｏｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ ｔｈｅ ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ， ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｓｏｌｉｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｅｓｔ ｏｎ ｔｈｅ ｗａｌｋｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｓｅａｂｅｄ ｍｉｎｉｎｇ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｅａｒ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｄｅｅｐ ｓｅａ ｓｅｄｉｍｅｎｔ． Ｋｅｙ wｏｒｄs ｄｅｅｐ⁃ｓｅａ ｓｅｄｉｍｅｎｔ； ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ； ｓｈｅａｒ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ； ｖａｎｅ ｓｈｅａｒ ｔｅｓｔ； ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｆｌｏｗ 大洋 ６ ０００ ｍ 深海表层蕴藏着储量丰富、金属品 位远高于陆地矿的深海矿产资源 多金属结核。 我 国在太平洋 Ｃ⁃Ｃ 区拥有 ７．５ 万平方公里的多金属结核 矿区，为国家提供战略性金属资源储备。 海底采矿车 作为多金属结核深海采矿系统的关键装备行走于海 底，其驱动力主要由深海表层沉积物的剪切强度提供。 而深海表层的沉积物是一种饱和粘性土，其具有含水 量高、剪切强度极低、内摩擦角极小、高液限、高孔隙率 等特性［１］，其剪切特性呈现剪切变稀的特征［２］。 海底 采矿车在沉积物上行走极易打滑，严重时车体无法行 驶，而导致采矿作业失败。 因此，深海沉积物剪切特性 决定了海底采矿车的行驶稳定性，是海底采矿车设计 ①收稿日期 ２０１７－０６－２７ 基金项目 中国大洋矿产资源研究开发协会项目（ＤＹ１２５－１４－Ｔ－０３）；国家自然科学基金面上项目（５０２７５１５２）；国家自然科学基金重点项目 （５１４３４００２） 作者简介 李 力（１９６３－），女，湖南益阳人，教授，博士研究生导师，主要从事机电、车辆与海洋采矿研究工作。 第 ３７ 卷第 ６ 期 ２０１７ 年 １２ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭIＮIＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡLLＵRＧIＣＡL ＥＮＧIＮＥＥRIＮＧ Ｖｏｌ．３７ №６ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１７ ChaoXing 基础。 但由于深海沉积物的稀缺性与高成本，采用模 拟沉积物替代深海沉积物作为行走实验底质已广泛应 用于海底采矿车在开发过程中的行驶性能研究。 因 此，有必要深入开展深海沉积物的模拟及其剪切特性 研究。 目前国内外研究人员在模拟沉积物剪切特性方面 开展了广泛研究［３－７］。 鉴于土壤的宏观力学行为是由 每个土壤颗粒细观特性的集中体现，且由粘土颗粒和 大量海水所构成的深海沉积物完全不同于陆地上任何 一种土壤，其体现出独特的剪切特性。 因此，有必要从 细观层面来探求其剪切特性。 颗粒流理论［８］是采用离散元方法，在细观层面上 数值模拟土颗粒的力学行为，通过土颗粒的细观参数 研究来探求土的宏观力学行为［９－１１］。 本文基于深海沉积物的微观物理性质，配置了与 其相似的模拟沉积物，完成模拟沉积物十字板剪切实 验研究；基于颗粒流理论，构建沉积物的颗粒流模型， 开展沉积物十字板剪切的数值模拟，以期为海底采矿 车开发提供实验基础，为深海沉积物的细观研究打下 基础。 １ 深海沉积物物理性质 深海沉积物由硅质软泥、硅质粘土、含硅质粘土和钙 质粘土组成，属于细粒粘土类［１］。 深海沉积物土力学参 数为含水率 ８０％～２００％，湿密度 １．２１～１．２７ ｇ／ ｃｍ３，内摩 擦角４．５～７．２，孔隙比５．６～７．３，剪切强度２～８ ｋＰａ。 而 深海沉积物宏观土力学特性与其微观物理性质有关。 针对西太平洋 ５ ０００ ｍ 水深无扰动柱状沉积物样 品，采用美国 ＥＤＸ－ＧＥＮＳＩＳ６０Ｓ 型 Ｘ 射线能谱仪对海 底采矿车压陷深度 １００～１５０ ｍｍ 处的样品进行衍射分 析，结果如图 １ 所示。 102003040506070 2 / θ √ ○ M A W H B 石英7.36 长石11.32 蒙脱石12.56 云母5.46 斜绿泥石7.24 石盐2.15 羟磷灰石3.62 非晶质50.29 √ √ √ √√ √ √ √√ ○○○ ○ ○ M MM M M A A A A A A A WW W W W W H H B 图 １ 西太平洋表层深 １００～１５０ mm 沉积物矿物组分 从图 １ 可知，深海沉积物由石英、长石、蒙脱石、云 母、斜绿泥石、石盐、经磷灰石等多种矿物和非晶质组 成，其中，非晶质由多孔状的放射虫和硅藻土组成，含 量高达 ５０．２９％；吸水力极强的片状蒙脱石含量为 １２．５６％；片状斜绿泥石含量为 ７．２４％。 这些微观结构 和矿物组分将决定和影响力学特性，为模拟沉积物物 料的选取提供了矿物学依据。 采用 ＭＡＳＴＥＲＳＩＺＥＲ２０００ 型激光粒度分析仪对上 述沉积物样品进行粒径分析，获得其体积累积分布曲 线，如图 ２ 所示。 粒径/μm 100 80 60 40 20 0 0.10.011101001000 小于某粒径颗粒累积体积分数/ 图２ 西太平洋表层深１００～１５０ mm沉积物粒径累积体积分布曲线 从图 ２ 可知，深海沉积物颗粒粒径小于 １０ μｍ 的 累积体积分数约为 ５０％，表明深海沉积物的颗粒粒径 极小，属于细粒粘土类。 采用扫描电子显微镜对上述样品进行观察，不同 放大倍数下的 ＳＥＭ 照片如图 ３ 所示。 图 ３ 深海沉积物 SＥＭ 照片 从图 ３ 可知，深海沉积物颗粒主要为条状、蜂窝圆 盘状、片状等。 深海沉积物由不规则形状的颗粒堆集 而成。 综上所述，深海沉积物为具有极小粒径、片条状、 大孔隙率比、高含水率等特性的粘性土壤。 ２ 模拟沉积物物理性质 以深海沉积物主要矿物组分为基础，选择陆地膨 润土作为模拟沉积物的骨干矿物，硅藻土作为辅料。 膨润土［６］是以蒙脱石为主要成分的粘土矿物，具有粒 径细、吸水性强、膨胀性、粘结性、吸附性等特征，用于 模拟深海沉积物主要矿物蒙脱石、斜绿泥石、石英等成 分。 硅藻土具有蜂窝状结构，用以模拟深海沉积物的 ２矿 冶 工 程第 ３７ 卷 ChaoXing 硅藻矿物和放射虫组分。 将膨润土、硅藻土和水按不 同配方均匀混合后制成 １＃（膨润土与硅藻土分量比 ６／１，含水率１０４．４％）、２＃（膨润土与硅藻土分量比５／１， 含水率 １１５．８％）和 ３＃（膨润土与硅藻土分量比 ４／１，含 水率 １２１．３％）３ 种模拟沉积物。 模拟沉积物的矿物组分、粒径分布和微观形貌分 别见图 ４～６。 10020 a 3040506070 2 / θ √ ○ H M A 石英72.98 云母5.68 斜绿泥石2.47 蒙脱石3.43 低温型方石英15.44 √ √ √√ √√√ √ √ √ √ √ √ √ ○ ○○ ○ ○ ○○ ○ H H H M M M M A 10020 b 3040506070 2 / θ √ ○ H M A 石英58.18 云母5.26 斜绿泥石2.57 蒙脱石3.35 低温型方石英27.38 √ √ √√ √√√ √ √ √ √ √ √ √ ○ ○○○ ○ ○ ○ H H H M M M M A AA 10020 c 3040506070 2 / θ √ ○ H M A 石英50.97 云母5.26 斜绿泥石2.75 蒙脱石3.48 低温型方石英37.54 √ √ √√ √√√ √ √ √ √ √ √ √ ○ ○○○ ○ ○ H H H M M M M A A AA 图 ４ 模拟沉积物矿物组分 （ａ） １＃模拟沉积物； （ｂ） ２＃模拟沉积物； （ｃ） ３＃模拟沉积物 从图 ４ 可知，模拟沉积物的矿物组分主要为石英、 云母、蒙脱石、斜绿泥石等，与深海沉积物的主要矿物 成分基本接近，表明模拟沉积物在主要矿物组成上具 有可模拟性，不同配方模拟沉积物的主要矿物组分存 在一些差别。 从图 ５ 可知，模拟沉积物粒径小于 ９ μｍ 的累积 体积分数约为 ５０％，与深海沉积物的颗粒累积体积分 布曲线变化趋基本一致，表明模拟沉积物在粒径上同 样具有可模拟性。 粒径/μm 100 80 60 40 20 0 0.10.011101001000 小于某粒径颗粒累积体积分数/ 1模拟沉积物 2模拟沉积物 3模拟沉积物 西太平洋沉积物 图 ５ 沉积物粒径累积体积分布曲线 图 ６ 模拟沉积物 SＥＭ 照片 分析图 ６ 可知，模拟沉积物颗粒主要为片状、条状 和少量孔状，与深海沉积物的微观形貌存在类似之处， 说明模拟沉积物在微观形貌上可以模拟深海沉积物。 综上所述，模拟沉积物在矿物组成、粒度分布、微 观形貌等方面与深海沉积物具有相似性，验证了模拟 沉积物的可模拟性。 ３ 颗粒流理论 颗粒流理论采用离散元方法，模拟介质颗粒的运动 及其相互作用［８］。 在颗粒流模型中交替应用的牛顿运 动定律和力⁃位移定律。 通过运动定律，确定颗粒和边 界位置，通过力⁃位移定律确定接触力。 如此循环更新 颗粒的位置与接触力，直至达到平衡状态，如图 ７ 所示。 力-位移定律 应用于每一个接触 更新颗粒、墙体的 位置形成新的接触 更新接触力 运动定律 应用于每一个颗粒 图 ７ 颗粒流基本理论 对于具有粘性的土壤，粘结模型有接触粘结和平 行粘结两种。 接触粘结发生在接触点很小范围内可传 ３第 ６ 期李 力等 基于颗粒流理论的深海沉积物剪切特性模拟研究 ChaoXing 递力。 平行粘结发生在接触颗粒间圆形或方形有限范 围内可同时传递力和力矩。 由于深海沉积物颗粒之间 的相互作用主要为链条连结间的粘聚力［１２］，因此，沉 积物颗粒流模型采用接触粘结模型。 接触粘结模型可 以理解为在接触处存在一对具有恒定法向粘结强度与 切向粘结强度的键作用，如图 ８ 所示。 切向粘结键 法向粘结键 图 ８ 接触粘结模型 当颗粒间重叠量大于 ０ 时，颗粒发生重叠，产生接 触力；当重叠量小于 ０ 时，颗粒发生分离，出现张力。 当法向接触力／ 张力超过法向粘结强度时，粘结键被破 坏；当法向接触力／ 张力没有超过法向粘结强度，而切 向接触力／ 张力同时超过切向粘结强度和滑动摩擦极 限时，粘结键也发生破坏；当切向接触力／ 张力超过切 向粘结强度但没有超过滑动摩擦极限，粘结键还存在。 ４ 沉积物颗粒流模型 沉积物的颗粒流模型将由粘土颗粒与水颗粒组 成。 以沉积物微观形貌主要为条状和片条状为依据， 沉积物粘土颗粒模型采用长条状。 在 ＰＦＣ２Ｄ平台上， 将 １０ 个半径相同的母颗粒连接成一体而形成簇单元 来模拟沉积物粘土颗粒，相邻颗粒重叠量为圆盘半径， 如图 ９ 所示。 而水颗粒用圆盘状基本单元来模拟。 图 ９ 簇状粘土颗粒 设置粘土颗粒面积为 １／６，水颗粒与空白面积为 ５／６，即二维孔隙比为 ５；设置粘土母颗粒和水颗粒的 粒径均为０．１ ｍｍ，法向刚度分别为１１０６、１１０７Ｎ／ ｍ， 切向刚度分别为 １１０６、１１０７Ｎ／ ｍ，法向和切向粘结 强度初始均为 １１０５Ｎ，密度分别为 １．２１０３、１１０３ ｋｇ／ ｍ３，摩擦系数均为 ０．０１；边界墙体长宽均为 ５０ ｍｍ， 法向和切向刚度均为 １１０９Ｎ／ ｍ。 在消除重叠并循环至平衡后，生成了沉积物颗粒 流模型，如图 １０ 所示。 其中，长条簇为粘土颗粒，圆盘 为水颗粒，水颗粒充满在粘土颗粒构架空隙内。 沉积 物的颗粒流模型也具有片条状细观结构、高孔隙比、高 含水率、粘聚力等特征。 图 １０ 沉积物颗粒流模型 ５ 模拟沉积剪切特性 ５.１ 十字板剪切原理 土壤现场十字板剪切实验原理如图 １１ 所示。 将 十字板压入土壤，均速旋转十字板剪切土体，测量出土 体抵抗剪切破坏的扭矩与十字板转角。 其扭矩等于剪 切破坏圆柱侧面抵抗力矩和上下面抵抗力矩之和。 设 土体为均质的，则土体的剪切应力 τ 可表示为 τ ＝ ２Ｍ πＤ２ Ｄ ３ ＋ Ｈ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （１） 式中 Ｍ 为扭矩；Ｄ 为十字剪切板直径；Ｈ 为十字板高度。 M H D τ τ τ 图 １１ 十字板剪切原理 ５.２ 十字板剪切试验 采用如图 １２ 所示的模拟沉积物十字板剪切试验 装置，十字板板高 ３０ ｍｍ、直径 ６０ ｍｍ。 在实验室完成 模拟沉积物 １＃、２＃、３＃的十字板剪切试验，获得了其剪 切应力⁃转角关系曲线，如图 １３ 所示。 ４矿 冶 工 程第 ３７ 卷 ChaoXing 图 １２ 模拟沉积物十字板剪切试验 转角/ 4 3 2 1 0 3006090120150 剪切应力/kPa 2模拟物 3模拟物 1模拟物 图 １３ 模拟沉积物十字板剪切试验曲线 分析图 １３ 可知，当十字板开始转动剪切模拟沉积 物时，其剪切应力急剧上升至峰值应力处，随着十字剪 切板转角增加，剪切应力逐渐减小，呈现出剪切变稀特 性，与南海深海沉积物原位剪切试验结果趋势相 同［２］；配方不同的 ３ 种模拟沉积物剪切特性曲线的趋 势基本相同，但 １＃、２＃和 ３＃模拟沉积物的最大剪切应 力依次增加，其剪切强度在 １．８～３．５ ｋＰａ 之间，说明剪 切强度极低，且硅藻土含量对其剪切强度存在影响。 上述研究表明，模拟沉积物具有与深海沉积物类似的 剪切变稀和低剪切强度的特性。 ６ 十字板剪切数值模拟 根据图 １０ 所示的沉积物颗粒流模型，施加十字剪 切板（取 １／４ 直角板），剪切板的尺寸与试验用十字板 相同，半径 ３０ ｍｍ，剪切板转速也与上述试验相同，为 ０．２ ｒａｄ／ ｓ，剪切板刚度为 １１０９Ｎ／ ｍ。 开展不同粘结 强度模型十字板剪切的数值模拟，获得了其剪切过程 应力分布图和剪切应力⁃转角的剪切特性曲线，分别示 于图 １４ 和图 １５。 分析图 １４ 可知，十字板转角 ０～３０过程中，颗粒 的应力网线分布密集度逐渐增加至最密，说明沉积物 剪切应力增加至最大，只有极少量颗粒被剪断离开土 体表面；在十字板转角 ３０～９０过程中，颗粒间应力网 线分布密集度逐渐减小，说明沉积物剪切应力减小，大 量颗粒被剪断而脱离土体；在十字板转角 ９０～１５０过 程中，颗粒间应力网线密集度基本消失，绝大部分颗粒 被剪断而脱离土体表面。 上述过程体现了沉积物的剪 切应力在达到峰值后逐渐减小，即剪切变稀现象。 图 １４ 十字板剪切应力图 （ａ） ３０； （ｂ） ４５； （ｃ） ９０； （ｄ） １５０ 分析图 １５ 可知，随着十字板转动而剪切沉积物， 剪切应力随之增加，当十字板转角达到约 ３０，其剪切 应力值达至最大，当十字板继续转动至 １５０，剪切应 力减小至最小，其剪切特性均表现出剪切变稀现象，此 曲线为图 １４ 剪切应力的量化体现。 分别对比图 １５ 中 ３ 种模拟沉积物剪切应力⁃转角数值模拟曲线与其试 验曲线可知，二者基本吻合，验证了所建立的沉积物颗 粒流模型和数值模拟方法的正确性；模型中所设置的 粘结强度变化规律表明，其粘结强度值越大，则其剪切 应力峰值增加，同样验证了粘性土壤中粘结强度决定 粘性沉积物宏观剪切强度。 ７ 结 论 １） 在分析深海沉积物的矿物组分、粒径、形貌等 微观物理性质的基础上，提出了以膨润土为主料、硅藻 土和水为辅料的模拟沉积物配方。 ２） 基于颗粒流理论，用簇状粘土颗粒和圆盘状水 颗粒建立了沉积物的颗粒流模型，该模型具有片条状 细观结构、高孔隙比、高含水率、粘聚力等特性。 ５第 ６ 期李 力等 基于颗粒流理论的深海沉积物剪切特性模拟研究 ChaoXing 转角/ 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 3006090120150 剪切应力/kPa b 转角/ 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 3006090120150 剪切应力/kPa 颗粒流模型模拟曲线 1模拟沉积物试验曲线 颗粒流模型模拟曲线 2模拟沉积物试验曲线 颗粒流模型模拟曲线 3模拟沉积物试验曲线 a 转角/ 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 3006090120150 剪切应力/kPa c 图 １５ 数值模拟和试验剪切应力-转角曲线 （ａ） １１０５Ｎ； （ｂ） ５１０５Ｎ； （ｃ） １１０６Ｎ ３） 开展不同配方模拟沉积物十字板剪切试验，从 宏观上获得其应力⁃转角的剪切特性曲线，表明模拟沉 积物具有与深海沉积物相同的低剪切强度和剪切变稀 特性，硅藻土含量影响模拟沉积物剪切强度。 ４） 开展不同粘结强度颗粒流模型十字板剪切的 数值模拟，从细观上获得其应力⁃转角的剪切特性曲 线，研究表明，其数值模拟曲线与试验曲线基本吻合， 验证了沉积物颗粒流模型建立和数值模拟方法的正确 性；确定了模型的细观参数，其中，细观粘结强度参数 影响着沉积物的宏观剪切强度。 参考文献 ［１］ 于彦江，段隆臣，王海峰，等． 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Ｂａｒｄｅｔ Ｊ Ｐ， Ｐｒｏｕｂｅｔ Ｊ． Ｓｈｅａｒ⁃ｂａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ ｉｄｅａｌｉｚｅｄ ｇｒａｎｕｌａｒ ｍａｔｅ⁃ ｒｉａｌ［Ｊ］． Ｊ Ｅｎｇｒｇ Ｍｅｃｈ， １９９２，１１８（８）３９７－４１５． ［１０］ 张学朋，蒋宇静，王 刚，等． 基于颗粒离散元模型的不同加载速 率下花岗岩数值试验研究［Ｊ］． 岩土力学， ２０１６，３７（９）２６７９－ ２６８６． ［１１］ 周 健，池 永． 砂土力学性质的细观模拟［Ｊ］． 岩土力学， ２００３，２４（６）９０１－９０６． ［１２］ 李 伟． 粘性土基本力学特性微结构机理研究［Ｄ］． 上海同济 大学土木工程学院， ２００８． 引用本文 李 力,吕敬科． 基于颗粒流理论的深海沉积物剪切特性模 拟研究［Ｊ］． 矿冶工程, ２０１７,３７６１－６． ６矿 冶 工 程第 ３７ 卷 ChaoXing