海底多金属结核岩土体长期力学特性的刚性板压陷测试与分析方法

本发明属于岩土工程和深海采矿领域，具体的，涉及一种海底多金属结核岩土体长期力学特性的刚性板压陷测试与分析方法。

背景技术：

1、随着全球陆地矿产资源的逐渐匮乏和世界人口的不断增长，海洋矿产资源的开发利用已十分迫切，海洋占地球表面积约71％，是地球上最大的潜在资源基地。采矿车能否在海底多金属结核岩土体上平稳行走对采矿系统运行来说非常重要，因此分析海底多金属结核岩土体长期力学特性是非常有必要的。

2、海底多金属结核岩土体流变性高、含水率高、孔隙比高、压缩性高、固结速率低和渗透性低等特征，并且含有大量微生物残骸等特殊的物质组成。由于海底多金属结核岩土体比陆地土具有更高的含水率、更明显的流变特性，极易导致深海采矿车沉陷，且其沉陷量随着时间的增加而加剧。

3、以往的研究中，对海底多金属结核岩土体的研究还很不充分，相关资料也很少，亟需进行深入研究。

4、为此，本发明提供一种海底多金属结核岩土体长期力学特性的刚性板压陷测试与分析方法，测试方法简便易操作，可基于黏弹性理论给出海底多金属结核岩土体的长期力学特性，并应用于海底集矿车行走过程中海底多金属结核岩土体的长时变形预测。

技术实现思路

1、为克服现有技术的不足，本发明提供一种海底多金属结核岩土体长期力学特性的刚性板压陷测试与分析方法。

2、为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

3、海底多金属结核岩土体长期力学特性的刚性板压陷测试与分析方法，步骤如下：

4、(1)、采用圆形刚性板自重压入海底多金属结核岩土体，监测刚性板沉陷位移-时间的关系；

5、(2)、施加配重钢块进行加载，监测沉陷位移-时间的关系；

6、(3)、将作用于圆形刚性板下岩土体的荷载等效为均布面荷载，推导岩土体的垂直位移的弹性解；

7、(4)、考虑海底多金属结核岩土体的稳定和非稳定蠕变特性，进行岩土体在刚性板配重作用下的黏弹性变形分析；

8、(5)、采用以瞬时弹性模量和黏弹性系数为反演值的迭代优化反演法，并将计算公式程序化。

9、相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

10、1、本发明选用半无限弹性体模型作为研究海底多金属结核岩土体的基本模型，考虑黏弹性理论，分析海底多金属结核岩土体的长期力学特性，为深海采矿车的沉陷预测与安全评定提供依据；

11、2、该发明方法可广泛应用于岩土工程、深海采矿、水电、能源等领域的海底多金属结核岩土体长期力学特性的研究，应用领域广泛。

技术特征：

1.一种海底多金属结核岩土体长期力学特性的刚性板压陷测试与分析方法，其特征在于，步骤如下：

2.根据权利要求1所述的海底多金属结核岩土体长期力学特性的刚性板压陷测试与分析方法，其特征在于，采用圆形刚性板自重压入海底多金属结核岩土体，监测刚性板沉陷位移与时间的关系，具体方法如下：在海底多金属结核岩土体水平区域开展刚性板沉陷测试，圆形刚性板尺寸选用直径为30cm-100cm，厚度为2cm-10cm的不锈钢板，具体尺寸根据具体海域土体的预压试验确定；刚性板配有垂直位移计，方便读取沉陷位移；刚性板压入海底水平后开始记时，并记录刚性板沉陷量与时间的关系曲线，监测数据间隔为10min记录1次，24h后，1h记录一次，直至连续24h位移增量小于1mm判定位移稳定。

3.根据权利要求1所述的海底多金属结核岩土体长期力学特性的刚性板压陷测试与分析方法，其特征在于，施加配重钢块进行加载，监测沉陷位移-时间的关系，具体方法如下：

4.根据权利要求1所述的海底多金属结核岩土体长期力学特性的刚性板压陷测试与分析方法，其特征在于，将圆形刚性板和配重钢块的自重作用于刚性板下土体的荷载等效为均布面荷载，推导出荷载作用下海底多金属结核岩土体的垂直位移的弹性解，具体方法如下：将刚性板和配重的自重荷载简化为集中力作用，在半无限空间体边界(海底多金属结核岩土体表面)上由集中力p引起的海底多金属结核岩土体深部任一点a的垂直位移，即：

5.根据权利要求1所述的海底多金属结核岩土体长期力学特性的刚性板压陷测试与分析方法，其特征在于，考虑海底多金属结核岩土体的稳定蠕变特性和非稳定蠕变特性，进行海底多金属结核岩土体在刚性板配重作用下的黏弹性变形分析，具体方法如下：若测试的海底多金属结核岩土体位移-时间曲线呈非稳定蠕变的规律，即位移随时间持续增长，则采用burgers模型描述海底多金属结核岩土体的流变特性；若测试的海底多金属结核岩土体位移-时间曲线呈稳定蠕变的规律，即位移随时间逐渐稳定，则采用五元件广义kelvin模型描述海底多金属结核岩土体的流变特性；

6.根据权利要求1所述的海底多金属结核岩土体长期力学特性的刚性板压陷测试与分析方法，其特征在于，采用以瞬时弹性模量和黏弹性系数为反演值的迭代优化反演法，并将计算公式程序化，具体方法如下：

技术总结
本发明属于岩土工程和深海采矿领域，涉及一种海底多金属结核岩土体长期力学特性的刚性板压陷测试与分析方法，步骤如下：(1)、采用圆形刚性板自重压入海底多金属结核岩土体，监测刚性板沉陷位移‑时间的关系；(2)、施加配重钢块进行加载，监测沉陷位移‑时间的关系；(3)、将作用于圆形刚性板下岩土体的荷载等效为均布面荷载，推导岩土体的垂直位移的弹性解；(4)、考虑海底多金属结核岩土体的稳定和非稳定蠕变特性，进行岩土体在刚性板配重作用下的黏弹性变形分析；(5)、采用以瞬时弹性模量和黏弹性系数为反演值的迭代优化反演法，并将计算公式程序化。本发明为深海采矿车的沉陷预测与安全评定提供依据，应用领域广泛。

技术研发人员：杨文东,葛凤,马鹏程,陈旭光,李莹,房宇,王柄淇,刘春天,王令
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12