西礦區(qū)深海稀軟底質(zhì)剪切強(qiáng)度和貫入阻力原位測(cè)試

吳鴻云 ，陳新明，高宇清，何將三，劉少軍

(1. 中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 長(zhǎng)沙礦山研究院，湖南 長(zhǎng)沙，410012)

集礦機(jī)[1-2]作為一種在深海底多金屬結(jié)核區(qū)[3-4]作業(yè)的車輛，采用履帶行走機(jī)構(gòu)。在行走和結(jié)核采集過程中，行走履帶與深海稀軟底質(zhì)相互作用：一方面履帶壓陷并剪切底質(zhì)，另一方面，底質(zhì)承載并牽引履帶[5]。因此，底質(zhì)表層的承載力和抗剪強(qiáng)度等力學(xué)特性，對(duì)于研究集礦機(jī)在底質(zhì)上的承壓特性和牽引特性、設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)、改善行走性能顯得極為重要。底質(zhì)表層的承載力和抗剪強(qiáng)度等力學(xué)特性一般用貫入阻力和剪切強(qiáng)度來表示，通常采用抓斗、箱式、多管、柱狀、保真保壓等取樣器進(jìn)行底質(zhì)取樣[6-9]，然后，在試驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量和分析的方法來獲得。由于樣品在被提升至海面的過程中，上覆水與海水不斷地進(jìn)行交換、沉積物中水分流失和釋壓，以及在提升過程中不可避免地?cái)_動(dòng)，從而使室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的物理力學(xué)指標(biāo)較差，甚至完全失真[10]。取樣測(cè)試結(jié)果表明：底質(zhì)屬高靈敏性土，其敏感系數(shù)達(dá)4.5～6.7。如果底質(zhì)被完全擾動(dòng)，其強(qiáng)度只有原始狀態(tài)值的17%～20%[11-13]。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論分析證明：底質(zhì)的力學(xué)特性測(cè)試結(jié)果和精度會(huì)因試驗(yàn)方法的不同而有較大的差別。原位測(cè)試方法作為一種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法，一般是指在不擾動(dòng)土層或基本不擾動(dòng)土層的情況下對(duì)土層進(jìn)行測(cè)試，可有效克服室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中試樣小、代表性差、易受擾動(dòng)、所測(cè)力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)嚴(yán)重“失真”等不可避免的缺點(diǎn)，其測(cè)試結(jié)果可靠，測(cè)試精度高?，F(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)作為2種常見的原位測(cè)試方法，能快速、較準(zhǔn)確地獲得底質(zhì)的抗剪強(qiáng)度和承載力等力學(xué)特性指標(biāo)，可為集礦機(jī)設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供最直接的依據(jù)。

1 原位測(cè)試

1.1 測(cè)試地點(diǎn)

本次海上原位試驗(yàn)隨大洋科學(xué)考察而進(jìn)行的，調(diào)查區(qū)域位于太平洋海盆 C—C 區(qū)西部，地理位置為141°～149° W 和 7°～10° N，地質(zhì)構(gòu)造屬于太平洋板塊東太平洋海盆，其南北兩側(cè)分別為克拉里昂斷裂帶和克里帕頓斷裂帶，水深一般為 4.8～5.2 km，局部達(dá)5.3～5.4 km，屬深海丘陵區(qū)[14]。

1.2 試驗(yàn)區(qū)底質(zhì)物理特性

試驗(yàn)區(qū)底質(zhì)表層呈流動(dòng)狀態(tài)，隨深度的增加其性狀呈流動(dòng)狀、流塑狀、可塑狀變化。東區(qū)在0～8 cm層為黃褐色硅質(zhì)軟泥，呈流動(dòng)狀，質(zhì)地均一，表面有氣孔狀構(gòu)造，8～25 cm層為淺黃色與黃褐色混合粉質(zhì)土，呈流塑狀，質(zhì)地不均，夾有團(tuán)塊或條帶。表1所示為底質(zhì)的物理性質(zhì)。

1.3 剪切強(qiáng)度原位測(cè)試

剪切強(qiáng)度原位測(cè)試儀采用十字板剪切強(qiáng)度原位測(cè)試儀[15-16]，其測(cè)量原理為：矩形十字探頭插入底質(zhì)中，以一定速率扭轉(zhuǎn)，探頭在底質(zhì)中產(chǎn)生的破壞狀態(tài)接近于圓柱體。假定圓柱體四周及上、下2個(gè)端面上的各點(diǎn)壓強(qiáng)相等，圓柱體表面的剪應(yīng)力分布均勻，則探頭在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受到底質(zhì)的剪切力，所形成的抵抗力矩作用于封閉油缸的活塞，轉(zhuǎn)化為液壓油壓力輸出。其中，十字板探頭規(guī)格為：寬度50 mm，高度100 mm，厚度2 mm。

實(shí)際上，十字板探頭在剪切破壞時(shí)形成的圓柱體的側(cè)面和上下面土的抗剪強(qiáng)度不同。

1.4 貫入阻力原位測(cè)試

貫入阻力原位測(cè)量采用靜力觸探原位測(cè)試儀[16-18]，其測(cè)量原理為：錐形探頭插入底質(zhì)中，以一定速率貫入，探頭受到底質(zhì)的阻力，直接作用于封閉油缸的活塞，轉(zhuǎn)化為液壓油壓力輸出。其中，錐形探頭規(guī)格為：直徑50.2 mm，錐角60°。

實(shí)際上，采用靜力觸探原位測(cè)試儀獲得的貫入阻力測(cè)量值為比貫入阻力，包括端阻分量和側(cè)壁摩擦力，較真實(shí)值大[19]。

海上原位測(cè)試共進(jìn)行了9次，取得了41個(gè)測(cè)點(diǎn)的原始測(cè)量數(shù)據(jù)。由于集礦機(jī)通過行走履帶對(duì)底質(zhì)瞬時(shí)加載，作用層淺，原位測(cè)試的試驗(yàn)深度選擇為50 cm。

表1 稀軟底質(zhì)的物理性質(zhì)[11]Table 1 Basic physics properties of soft seabed sediments

2 結(jié)果及分析

底質(zhì)剪切強(qiáng)度和貫入阻力的測(cè)量值[20]與試驗(yàn)深度的關(guān)系分別如圖1和圖2所示。

圖1 底質(zhì)剪切強(qiáng)度Cu與試驗(yàn)深度h的關(guān)系Fig.1 Undrained shear strength vs depth

圖2 底質(zhì)貫入阻力Ps與試驗(yàn)深度h的關(guān)系Fig.2 Penetration resistance vs depth

從圖1和圖2可見：底質(zhì)的剪切強(qiáng)度和貫入阻力均隨試驗(yàn)深度的增加而增大，達(dá)到最大值后小幅度下降，剪切強(qiáng)度最大值和貫入阻力最大值都出現(xiàn)在h=40～45 cm，分別約為11.8 kPa和100 kPa。

當(dāng)h=0～8 cm時(shí)，剪切強(qiáng)度和貫入阻力極小，最大值分別僅為1 kPa和10 kPa，取樣分析結(jié)果顯示該層呈流狀，表明該層底質(zhì)的抗剪性能和承載性能極差，不能為集礦機(jī)提供較大的牽引力和承載力，否則集礦機(jī)打滑和壓陷。

當(dāng)h=8～14 cm時(shí)，剪切強(qiáng)度和貫入阻力分別從1 kPa和10 kPa急速增加至6 kPa和46 kPa，取樣分析結(jié)果顯示該層呈流塑狀，表明該層剪切特性和承載特性變化大：剪切特性大，則履齒與底質(zhì)相互作用過程中，導(dǎo)致齒尖受到的作用力遠(yuǎn)大于齒根受到的作用力，履齒的設(shè)計(jì)更加嚴(yán)格，同時(shí)也加速了齒尖的破壞；該層承載特性變化大，則履帶板與底質(zhì)相互作用的過程中，履帶板快速壓陷，行駛阻力急劇增加。

當(dāng)h=14～20 cm時(shí)，剪切強(qiáng)度從6.0 kPa緩慢降至5.8 kPa，而貫入阻力則從 46.0 kPa緩慢增加至 50.0 kPa，表明該層底質(zhì)的抗剪性能和承載性能均勻，可作為集礦機(jī)行走履帶的牽引層和持力層。

當(dāng)h=20～45 cm時(shí)，剪切強(qiáng)度和貫入阻力分別從5.8 kPa和50.0 kPa急速增加至11.8 kPa和100.0 kPa，該層底質(zhì)的抗剪性能和承載性能滿足集礦機(jī)履帶的行走要求，但履帶壓陷過深而造成行駛阻力急劇增加，嚴(yán)重降低了集礦機(jī)的行駛性能。

當(dāng)h＞45 cm后，剪切強(qiáng)度和貫入阻力分別從11.8 kPa和100 kPa小幅度下降至11.5 kPa和88.0 kPa，該層底質(zhì)的抗剪性能和承載性能均勻，壓陷過深，不宜集礦機(jī)的行走。

底質(zhì)剪切強(qiáng)度和貫入阻力與試驗(yàn)深度的關(guān)系，可以用二次曲線函數(shù)來表示。根據(jù)圖1和圖2所示結(jié)果，底質(zhì)的排水抗剪強(qiáng)度和貫入阻力與試驗(yàn)深度的二次回歸經(jīng)驗(yàn)公式分別為：

式(1)和(2)的回歸精度較高，其相關(guān)系數(shù)分別為0.977和0.976。

3 應(yīng)用

3.1 剪切強(qiáng)度與貫入阻力的回歸經(jīng)驗(yàn)公式

根據(jù)41個(gè)測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)平均結(jié)果分析，底質(zhì)的貫入阻力Ps和十字板剪切強(qiáng)度Cu之間存在明顯的線性關(guān)系(如圖 3所示)。對(duì)底質(zhì)貫入阻力 Ps和剪切強(qiáng)度 Cu的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)按線性回歸分析，其回歸公式為：

式(3)的回歸精度極高，其相關(guān)系數(shù)為 0.988。該經(jīng)驗(yàn)公式的建立可充分發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)各自的優(yōu)勢(shì)，亦便于對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理性進(jìn)行分析、判斷。

圖3 底質(zhì)貫入阻力Ps與剪切強(qiáng)度Cu的擬合關(guān)系Fig.3 Regressive curve of shear strength and special penetration resistance

3.2 根據(jù)剪切強(qiáng)度測(cè)量值確定集礦機(jī)的牽引力

根據(jù)Janosi公式[5]，在不考慮齒高效應(yīng)的情況下，履帶車輛按地面附著可能產(chǎn)生的牽引力為：

式中：P為牽引力；q(x)為接地壓力分布；c為單位面積的土壤黏聚力；α為土壤的內(nèi)摩擦角；K為土壤的剪切變形系數(shù)；δ為接地履帶的滑轉(zhuǎn)率；B為履帶接地寬度；L為履帶接地長(zhǎng)度；τ為土壤剪切面上的剪應(yīng)力。

深海稀軟底質(zhì)的內(nèi)摩擦角介于 3.5°和 8.6°之間，具有摩擦特性和黏性雙重特性，摩擦特性對(duì)集礦機(jī)的牽引力影響小，可以忽略。根據(jù)摩爾一庫(kù)侖定律，底質(zhì)的黏聚力與剪切強(qiáng)度相等，此時(shí)，集礦機(jī)在底質(zhì)上產(chǎn)生的最大牽引力為：

根據(jù)式(5)，對(duì)于一定的履帶(履帶的接地長(zhǎng)度和接地寬度一定)，集礦機(jī)在底質(zhì)上產(chǎn)生的最大牽引力僅與底質(zhì)的剪切強(qiáng)度有關(guān)，而剪切強(qiáng)度沿齒高方向(即試驗(yàn)深度h)不同，剪切強(qiáng)度沿齒高所產(chǎn)生的牽引效應(yīng)看成在壓陷深度內(nèi)的積分函數(shù)，產(chǎn)生最大牽引力的最佳層應(yīng)該在14～20 cm層，履齒此時(shí)全部或部分落在14～20 cm層，因而齒高至少應(yīng)為6 cm，考慮到齒高效應(yīng)，實(shí)際齒高應(yīng)大于6 cm。

由于現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)所測(cè)得的不排水剪切強(qiáng)度峰值偏高，同時(shí)，底質(zhì)在集礦機(jī)的作用下壓縮變形導(dǎo)致的剪切強(qiáng)度變化，因而設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)十字板測(cè)定的剪切強(qiáng)度進(jìn)行必要的修正，如按 1.5～2.0的修正系數(shù)，則集礦機(jī)產(chǎn)生最大牽引力的作用層在 14～20 cm層，此時(shí)的剪切強(qiáng)度為3～4 kPa。

3.3 根據(jù)貫入阻力測(cè)量值確定底質(zhì)的承載力

承載力Pc是表征土壤抗破壞、壓縮和摩擦阻力的綜合指標(biāo)，它是指在垂直載荷作用下不同深度的抗壓能力，一般是把圓錐或圓柱測(cè)頭垂直壓入土層中，測(cè)得不同深度處土壤單位面積的壓力，在測(cè)試機(jī)理上與貫入阻力Ps是一致的[21]，因而兩者在數(shù)學(xué)關(guān)系上呈線性關(guān)系。其關(guān)系式一般為：

式中：λ和 γ為常數(shù)項(xiàng)，對(duì)于一定的土，因地層時(shí)代和成因相同，λ和γ為定值。

根據(jù)室內(nèi)承載力的測(cè)量數(shù)據(jù)[11-13]，按式(2)計(jì)算試驗(yàn)深度h=20 cm和h=30 cm的貫入阻力，并按取樣至試驗(yàn)室擾動(dòng)強(qiáng)度降低20%計(jì)算。底質(zhì)貫入阻力Ps和承載力Pc的回歸公式為：

則底質(zhì)承載力Pc與試驗(yàn)深度h的回歸公式為：

Bekker[22]提出的土壤承載力與車輛下陷深度的數(shù)學(xué)模型為：

式中：Pc為承載力；Kφ為內(nèi)摩擦變形模量；Kc為內(nèi)聚力變形模量；b為矩形平板的寬度；Z為下陷深度；n為變形指數(shù)。

根據(jù)式(8)和(9)，可以得到下陷深度Z與試驗(yàn)深度h的關(guān)系：

欲使行走履帶的履齒全部落在承載層(14～20 cm)，則履帶板下陷后的位置在14 cm處，根據(jù)式(10)確定出履帶板的初始深度，并根據(jù)式(8)最終確定此時(shí)的承載力。

3.4 集礦機(jī)設(shè)計(jì)

集礦機(jī)在多金屬結(jié)核區(qū)域作業(yè)時(shí)，行走履帶的履齒應(yīng)全部或部分落在剪切牽引和承載層(14～20 cm)，此時(shí)集礦機(jī)具有最佳的牽引能力，底質(zhì)發(fā)揮最佳的承載性能。

根據(jù)剪切強(qiáng)度和貫入阻力原位測(cè)試數(shù)據(jù)及其相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式，長(zhǎng)沙礦山研究院研制了在東太平洋中國(guó)開辟區(qū)采集海底多金屬結(jié)核的集礦機(jī)[2]，該機(jī)的設(shè)計(jì)水深為 6 km，外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為 6.0 m×5.3 m×3.5 m，海底的行駛速度為0～1 m/s，空氣中質(zhì)量為24 t，在水中質(zhì)量為11 t，履帶寬度為1.7 m，履帶接地長(zhǎng)度為6 m，履帶接地面積為21.6 m2，尖三角齒齒高為130 mm，齒寬為200 mm，齒長(zhǎng)為1 700 mm，并在130 m深的稀軟湖底和5 m深的模擬稀軟底質(zhì)的試驗(yàn)水池中完成采集和行走試驗(yàn)。

4 結(jié)論

(1) 剪切強(qiáng)度在峰值強(qiáng)度前隨深度的增加而增大，峰值強(qiáng)度出現(xiàn)在40～45 cm，約為11.8 kPa，之后小幅度降低；0～8 cm層呈流狀，剪切強(qiáng)度極小，無工程意義；8～14 cm層呈流塑狀，剪切特性變化大，剪切強(qiáng)度從1 kPa急速增加至6 kPa；14～20 cm層，抗剪性能均勻，剪切強(qiáng)度從6 kPa緩慢降至5.8 kPa，可作為集礦機(jī)行走履帶的牽引層；20～50 cm層壓陷大，行駛阻力過大。在設(shè)計(jì)履齒時(shí)，履齒應(yīng)全部或部分落在14～20 cm層，齒高至少應(yīng)為6 cm，作用于履齒的剪切強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為3～4 kPa。

(2) 貫入阻力在峰值強(qiáng)度前隨深度的增加而增大，峰值強(qiáng)度出現(xiàn)在45 cm，約為100 kPa，之后小幅度降低；0～8 cm層呈流狀，貫入阻力極小，無工程意義；8～14 cm層呈流塑狀，承載特性變化大，貫入阻力從10 kPa急速增加至46 kPa；在14～20 cm層，承載性能均勻，貫入阻力從46 kPa緩慢增加至50 kPa，可作為集礦機(jī)行走履帶的持力層；20～50 cm 層壓陷大，行駛阻力過大。履帶板在集礦機(jī)作用下陷后的位置應(yīng)在14 cm以下。

(3) 通過試驗(yàn)和分析提出的底質(zhì)的剪切強(qiáng)度、貫入阻力和試驗(yàn)深度、剪切強(qiáng)度和貫入阻力、貫入阻力和承載力的回歸經(jīng)驗(yàn)公式客觀地反映了底質(zhì)的抗剪特性和承壓特性，并可為集礦機(jī)的設(shè)計(jì)尤其對(duì)行走履帶和接地比壓的確定提供理論依據(jù)。

(4) 應(yīng)通過理論研究與試驗(yàn)相結(jié)合的方法深入研究底質(zhì)在載荷作用下的壓縮變形導(dǎo)致的剪切強(qiáng)度變化規(guī)律，并確定剪切強(qiáng)度測(cè)量值的修正系數(shù)。

(5) 應(yīng)增加不同測(cè)板的承載現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，建立深海稀軟底質(zhì)的承載模型，修正和完善貫入阻力和承載力的回歸經(jīng)驗(yàn)公式。

(6) 應(yīng)繼續(xù)在礦區(qū)更大范圍內(nèi)的實(shí)測(cè)，取得大量數(shù)據(jù)，以修正和完善所提出的經(jīng)驗(yàn)回歸公式。

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