鈣質(zhì)砂宏細(xì)觀力學(xué)特性試驗及離散元模擬.pdf

1、鈣質(zhì)砂廣泛分布于緯度較低的海域，如我國南海海域，是一種碳酸鈣含量50％以上、海洋生物成因的、顆粒形狀不規(guī)則的粒狀材料，在高應(yīng)力水平作用下容易產(chǎn)生顆粒破碎現(xiàn)象?；阝}質(zhì)砂這一特殊的砂土材料，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者相繼開展了大量試驗研究。試驗結(jié)果表明，顆粒破碎是影響鈣質(zhì)砂物理力學(xué)性質(zhì)的主要因素。本文基于取自我國西沙群島永樂環(huán)礁晉卿島的鈣質(zhì)砂樣本，做了以下三方面工作，對鈣質(zhì)砂宏細(xì)觀破碎力學(xué)特性做了試驗探究，具體的內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　1.使

2、用電子顯微鏡(SEM)獲取不同粒徑組鈣質(zhì)砂顆粒的幾何投影圖像，利用圖像處理軟件ImageJ對圖形進(jìn)行像素處理，獲取單元顆粒形狀輪廓邊界，定義圓度、環(huán)徑比、磨圓度以及粗糙度4個參數(shù)，對鈣質(zhì)砂顆粒形狀進(jìn)行量化分析。通過比對大粒徑（粒徑大于2 mm）、中間粒徑（粒徑介于0.5 mm-2 mm之間）和小粒徑(粒徑小于0.5 mm)鈣質(zhì)砂形狀微觀圖像分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)大、小粒徑鈣質(zhì)砂形態(tài)更接近圓形、顆粒表面相對光滑;而中間粒徑的鈣質(zhì)砂顆粒形狀較不規(guī)則

3、，表面棱角較多。這可能是由于中間粒徑砂鑲嵌于大、小粒徑鈣質(zhì)砂之間，在搬運(yùn)、侵蝕以及移動過程中發(fā)生較少磨損和破碎，而保持了較好的原狀性。另外，對鈣質(zhì)砂顆粒在電鏡掃描下的圖形樣本進(jìn)行分析，辨別和探究了鈣質(zhì)砂生物成因的顆粒。
　　2.基于鈣質(zhì)砂樣本開展了一系列室內(nèi)宏觀力學(xué)試驗:一維壓縮試驗、直剪試驗，并重點開展了不同應(yīng)力水平的三軸固結(jié)排水剪切試驗。通過進(jìn)行不同圍壓下的三軸固結(jié)排水剪切試驗、以及試驗前后的顆粒級配的量測對比，并使用Hard

4、in破碎理論定量描述了剪切過程中的顆粒破碎程度。參考劍橋模型和修正劍橋模型中對于能量耗散的分析，研究了顆粒破碎對鈣質(zhì)砂變形、強(qiáng)度、能量耗散等特性的影響。試驗發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)砂在三軸排水剪切過程中發(fā)生顆粒破碎，試樣向著級配更加均勻的方向發(fā)展。隨著初始圍壓的增大，顆粒破碎程度加大，土樣整體剪脹趨勢減小，而破碎引起的能量耗散增加。而在高圍壓（初始圍壓=600kPa)剪切過程中，僅考慮剪切摩擦耗散，以及同時考慮剪切摩擦、體積耗散兩種情況下，計算得到的最

5、大顆粒破碎耗散分別可達(dá)土樣總輸入塑性功的25％和18％。
　　3.基于開源離散元分析軟件YADE對鈣質(zhì)砂顆粒破碎特性從細(xì)觀方面進(jìn)行探究。建立三維數(shù)值模型，采用簇粒模擬可以破碎的鈣質(zhì)砂顆粒，采用同等直徑的剛性顆粒模擬不可破碎的一般顆粒，對比兩種顆粒模型在三軸條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。模擬結(jié)果揭示顆粒破碎會降低試樣的整體抗剪強(qiáng)度，增加剪切初期的剪縮體變，抑制剪切后期的剪脹體變，以上效應(yīng)在高圍壓下更加明顯。這些模擬結(jié)果和本研究開展的鈣質(zhì)砂三