船运红土镍矿内部水分迁移特性及强度失效机理研究

The strength failure of the liquefiable cargo has become a major threat for the capsizing of the ships transporting it. But, the strength failure of this kind of cargoes cannot be prevented effectively based on the current research results. Based on previous research, starts from the characteristics of the internal water migration the relationships between the initial loading conditions, parameters of real ship motions and the internal water migration rate are established. The similarity of the internal water migration rate is introduced innovatively, dimensional analysis is carried out for the factors which are attributing to the strength failure of the cargo and the similarity criterions are established. Set the study on the strength failure mechanism of laterite nickel ore as a breakthrough, prepare the similar materials and carry on the scaled model experiments to reveal the interaction mechanism between the characteristics of moisture migration and the macroscopic strength of the material. A step further, the coupled numerical model between the mesoscopic motions inside of the material and its macroscopic deformation are constructed based on the Lattice Boltzmann and discrete element method. Combined scaled model experiments and numerical analysis, this project clarifies the coupling relationship between the characteristics of the internal water migration and the macroscopic strength of the materials and forms the theoretical basis for strength failure mechanism of the liquefiable cargo transporting by ships. The achievements of this project are helpful on supplement and perfection of classic soil liquefaction mechanics and provide theoretical support for the safety transportation of liquefiable cargo at sea.

船运易流态货物强度失效问题已成为该类货物运输船发生倾覆事故的重大隐患，但根据目前的研究成果仍不能有效预防该类货物强度失效的发生。基于前期研究，本项目从货物内部水分迁移特性出发，建立初始装载条件、实船运动参数和货物内部水分迁移速率间的函数关系。创新性地引入货物内部水分迁移速率的相似，对造成该类货物强度失效发生的因素进行量纲分析，构建易流态货物强度失效缩尺模型实验相似关系。以红土镍矿强度失效机理研究为突破，制备货物相似材料，进行缩尺模型实验，揭示材料内部水分迁移特性和其宏观表现强度间的相互作用机理。进而，基于格子玻尔兹曼和离散元方法，建立材料内部细观运动和其宏观变形间的耦合数值模型。结合缩尺实验和数值模拟，阐明货物内部水分迁移特性细观机理和货物宏观表现强度间的耦合关系，形成适用于易流态货物海上运输强度失效机理理论基础，补充和完善传统土力学液化理论体系，为易流态货物海上安全运输提供理论支撑。

本研究针对易流态货物海上运输安全水平低的问题，以探究该类货物海运过程强度失效机理为目的，进行了大量物理实验、数值仿真及理论研究工作。通过船运易流态货物强度失效实验，研究实船运动及货物样品属性参数对货物液化的影响并得出，铁精矿液化过程伴随其内部孔隙水压力的显著上升及总应力的下降；实船运动条件下，货物内部最终孔隙水压力并不能接近总应力值，因此货物强度失效不仅与其内部超孔隙水压力相关同时与复杂的船舶运动也有关。通过易流态货物内部水分迁移速率物理实验，研究实船运动、排水、不排水条件及货物属性参数对货物内部水分迁移的影响并得出，不排水条件下，货物内部水分以向上迁移为主；排水条件下，货物内部水分主要受重力作用而向下迁移，受样品内部排水通道的限制，内部水分有被局限于样品中部的现象；船舶运动加速度的增加能够加强孔隙水压力的累积和水分迁移，存在临界运动频率使样品内部孔压变化显著；高密度样品其内部孔隙水压力增长受限，液化可能性下降但排水能力同时下降。进一步通过船运易流态货物强度失效数值仿真模型的研究，从数值计算角度研究饱和、不饱和条件下舱内货物强度失效机理并得出，含水量仍然是影响货物稳定性和促进货物液化的关键因素；目前研究条件下，镍矿砂的临界含水量为39%；当货物含水量大于该值时，货物的稳定性急剧下降，并且更有可能流动；相同条件下，粒径级配与货物液化之间的关系是非线性的；临界含水量以上，随着细颗粒含量的增加，货物的重心偏移量先增大后减小，即细颗粒含量也存在临界值，本研究为15%，此时货物更容易移动；不同运动形式对货物的稳定性影响不同；临界含水量以上，横摇运动幅值的增加会导致更明显的货物运动；而运动频率有所不同，存在临界频率使货物对货舱诱导力矩最小。通过本项目研究，进一步阐明了船运易流态货物内部水分迁移特性和其宏观表现强度间的作用机理，从而补充和完善了岩土体液化理论体系，并能够为易流态货物海上安全运输提供理论支撑。