基于颗粒流理论的深海沉积物剪切特性模拟研究

李力^1,2，吕敬科¹

1. 中南大学机电工程学院2. 深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室

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;