《Ocean Engineering》：Solid-liquid transition behavior and shear strength degradation mechanisms of deep-sea sediments induced by water content variation and external disturbance
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深海沉积物在不同含水量和剪切速率下的力学行为研究，通过室内外对比试验揭示水含量降低颗粒间粘结的微观机制，剪切速率影响剪切强度弱相关性，建立耦合水含量与剪切速率的本构模型，为深海采矿装备设计提供理论支撑。
王玲|陈旭光|李志刚|刘振雷|杨文东|刘雪琳|刘熙熙
中国海洋大学工程学院，中国青岛市松岭路238号，266000
摘要
深海沉积物与多金属结核采矿子系统之间的相互作用本质上受到沉积物在扰动下力学状态演变的影响。为了研究不同含水量深海沉积物在外部扰动下的固液转变行为及其相关的剪切强度衰减机制，本研究进行了一系列系统的扰动力学测试。结果表明，无论是原位深海沉积物还是实验室制备的模拟土壤，其不排水剪切强度都随着含水量的增加而逐渐降低，且它们拟合模型的参数高度一致。这证实了含水量通过润滑、吸附水膜增厚以及胶结材料部分溶解等微观效应削弱颗粒间结合力的普遍机制。同时，这两种材料的剪切强度与剪切应变率呈正相关，而这种相关性与含水量关系较弱。这表明外部扰动主要通过破坏土壤固有的胶结絮凝结构，促使其从固态转变为显著流化状态。基于上述机制，开发了一个统一的本构模型，该模型结合了含水量和剪切率对土壤结构的协同效应，能够准确描述扰动后的剪切强度衰减过程。这些发现为从土壤结构演变的角度分析深海采矿中的水-沉积物和轨道-沉积物相互作用提供了理论基础，为提高采矿效率和操作能力提供了重要支持。
引言
随着全球人口持续增长和经济的快速发展，对金属资源的需求不断上升。随着陆地矿产资源开采逐渐接近极限，海洋资源的开发潜力受到了广泛关注。深海海底的多金属结核作为一种重要的新兴矿产资源（Hein等人，2013；Hein等人，2020），富含多种战略金属元素，被认为是缓解未来矿产资源供应压力的关键途径。这些结核通常以平面状分布在海底，大多处于半埋藏或完全埋藏状态。目前主流的采矿方法主要依靠轨道采矿车辆（Cho等人，2019）在采矿区域内行驶，并通过水力喷射方式提取结核（Oebius等人，2001）。在这个过程中，轨道系统的通行能力和水力喷射的提取效率都高度依赖于海底沉积物的剪切强度参数。因此，准确表征表层海底沉积物的物理和力学性质，特别是不排水剪切强度，对于采矿子系统的设计和运行至关重要。
关于深海沉积物的物理和力学性质，学者们通过原位测试和实验室实验进行了大量研究。早在20世纪70年代，美国研究人员就通过对管状采样获得的完整深海沉积物进行系统研究，包括粒径分析、三轴压缩和固结试验，初步揭示了其组成结构及剪切强度等关键参数特征（Noorany，1971；Bryant等人，1967；Sangrey和Townsend，1969）。随后，利用准静态和自由落体动态贯入仪等原位测试技术，研究人员进一步发现了深海沉积物的一系列独特力学性质，这些性质使其区别于陆地粘土，包括高含水量、高孔隙比、高压缩性和低剪切强度（Stoll等人，2007；Brandes，2011；Liu等人，2025）。Nian等人（2019）定量分析了沉积物的动态破坏过程和微观结构演变，系统比较了重塑粘土和完整沉积物之间的动态响应差异，从而揭示了微观结构对土壤动态特性的影响机制。Chen等人（2020）通过三轴剪切试验和汞侵入孔隙率（MIP）实验相结合的方法，研究了微观结构对剪切强度的控制作用，表明孔隙比是影响其强度的关键因素。
许多关于海底表层沉积物的研究表明，在外部扰动下，这些沉积物表现出介于流体浆体和固体土壤之间的双重特性，显示出显著的流变行为（Randolph等人，2010；Boukpeti等人，2012；Hermidas等人，2019）。Cui等人（2005）研究了浅海沉积物中含水量与穿透阻力之间的关系，发现两者之间存在显著的负相关。Wu等人（2010）基于原位叶片剪切试验和静态圆锥贯入试验建立了剪切强度与穿透深度之间的经验回归模型。Zhu等人（2015a，2015b）通过含水量、湿密度、微型叶片剪切和穿透试验系统分析了深海沉积物的各种物理性质与剪切强度之间的相关性。Wei等人（2021）进一步利用原位测量和采样数据通过回归分析得出了含水量与剪切强度之间的定量关系。此外，多项研究表明海底沉积物的剪切强度具有显著的速率依赖性，在不同的剪切速率下观察到了显著的变化（Sheahan等人，1996；Yin等人，2006，2010；Abelev和Valent，2012；Guo等人，2020a，2021c，2021c，2023）。总之，含水量和剪切速率都是影响沉积物力学行为的关键参数。系统地开发一个结合速率依赖性和含水量耦合效应的强度模型对于研究深海采矿应用中的水-沉积物和轨道-沉积物相互作用至关重要。
关于轨道深海采矿车辆与海底沉积物相互作用的研究主要涉及两个方面：轨道-沉积物相互作用（Wang等人，2024）以及水射流与沉积物的耦合机制（Liu等人，2023）。由于获取完整深海土壤样本的挑战性，现有研究主要使用模拟材料来替代原位沉积物（Ma等人，2015；Baek等人，2019；Wang等人，2016）。然而，现有研究缺乏对完整深海沉积物与实验室模拟沉积物在关键力学参数方面的系统比较，未能充分验证实验室模拟沉积物的力学响应有效性，从而限制了模型测试结果的可靠性。
因此，开发能够准确表征沉积物在外部扰动下强度演变行为的本构模型仍然是分析深海工程中水-沉积物和轨道-沉积物相互作用的重要挑战。通过理论分析，本研究确定了影响沉积物强度的关键参数，并对来自采矿区域的完整海底土壤和在不同含水量条件下的实验室模拟沉积物进行了实验研究。本研究旨在建立一个统一的强度模型，以捕捉剪切强度、含水量和扰动剪切率之间的内在关系，同时验证实验室模拟沉积物的力学响应一致性。这项工作为后续与深海采矿应用相关的实验室模型测试提供了理论基础。
以下概述了本研究的结构。第2节系统回顾了从土壤力学和流体动力学理论框架描述细粒粘土剪切强度的主要经验模型。第3节详细介绍了实验室扰动力学试验的设备和程序，解释了在不同剪切速率下对深海原位沉积物和不同含水量实验室模拟土壤进行的扰动力学实验。第4节对实验结果进行了系统分析和讨论，揭示了外部扰动下沉积物固液转变和剪切强度衰减的微观机制，并基于这些发现建立了统一的沉积物剪切强度计算模型。最后，第5节总结了本研究的主要结论。
节选内容
细粒粘土强度的传统评估方法
对于深海多金属结核采矿子系统，水力喷射提取装置通过侵蚀表层沉积物来实现结核的剥离。在这个过程中，结核的提取效率和受扰动沉积物的破坏模式与沉积物的物理和力学性质密切相关。
方法
本研究的主要目的是研究含水量和剪切率对原位深海沉积物和实验室制备的模拟土壤的力学强度的影响。这项研究旨在为理解深海采矿工程中的水-沉积物和轨道-沉积物相互作用提供理论基础，并为后续实验室模型测试中模拟土壤的制备提供指导。
剪切强度与含水量之间的关系
图5展示了深海原位沉积物和实验室模拟沉积物的不排水剪切强度随含水量的变化情况。所示的剪切强度值代表在恒定剪切应变率0.52 s?1下获得的峰值强度测量结果。如图所示，两种类型的土壤的剪切强度都随着含水量的增加而持续降低。这种关系可以通过方程（7）有效描述，具体参数为
结论
本研究通过软土扰动试验系统探讨了不同含水量和剪切速率下深海原位沉积物和实验室模拟沉积物的扰动诱导力学性质。它阐明了含水量变化和外部扰动调节沉积物固液转变行为和剪切强度衰减的机制，并开发了一个统一的强度计算模型，为后续研究奠定了理论基础。
CRediT作者贡献声明
王玲：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，数据管理，概念化。陈旭光：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。李志刚：撰写 – 审稿与编辑，可视化，形式分析。刘振雷：撰写 – 审稿与编辑，研究，数据管理。杨文东：撰写 – 审稿与编辑，方法论。刘雪琳：撰写 – 审稿与编辑。刘熙熙：撰写 – 审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：本手稿尚未在其他地方部分或全部发表，也未被其他期刊考虑。所有作者均已批准该手稿，并同意提交给贵期刊。不存在需要声明的利益冲突。
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（编号2021YFC2801503）、国家自然科学基金（资助编号52225107）和中央高校基本科研业务费（资助编号202041004）的支持。
