珊瑚砂高压力下一维蠕变分形破碎及颗粒形状分析

珊瑚砂是一种含钙极高的海洋生物成因材料,具有高棱角性、形状不规则、易破碎等特点。通过珊瑚砂的高压一维蠕变试验,研究颗粒破碎引起颗粒分布曲线和形状因子的演化规律。借助于高速动态图像的激光粒度粒形仪器,从统计学的角度分析试验前后颗粒形状随压力演化的关系,发现颗粒的形状因子,如长宽比、球形度和凹凸度等,随压力增加而逐渐增加。不同粒径的颗粒形状因子均向一个窄幅范围趋近,说明颗粒破碎具有无尺度性和自相似性的分形特性,分形维数随压力增加而逐渐增大,且趋近分形破碎极限。采用Hardin和Einav的方法计算相对破碎量,发现在两种计算方法下相对破碎量与压力呈幂函数关系,且幂指数相同。相对破碎量随时间增加的现象并不明显,说明在高压力下颗粒破碎主要为压缩破碎,且颗粒细化滑移填充孔隙引起的变形是造成蠕变的主要原因。     

钙质砂单颗粒破碎强度和模式的试验研究

通过自动单轴加载系统对不同粒径和形状的钙质砂颗粒进行了单颗粒压碎试验,同时借助于显微探头观测记录钙质砂颗粒的压碎过程和破碎模式,并利用统计方法分析粒径、形状和干湿条件等因素对钙质砂颗粒破碎强度和破碎模式的影响。此外,通过原位X射线μCT扫描支持下的微型单轴加载装置分别对两个钙质砂颗粒的压碎过程进行了高精度扫描,利用图像处理和分析技术对内孔隙结构的影响进行了深入研究。结果表明：形状类似时,钙质砂颗粒的粒径越大,特征强度越低;粒径相当时,块状颗粒的特征强度最大,片状颗粒次之,刃状颗粒再次之,条状颗粒最小;钙质砂颗粒的破碎过程可以归纳为3种裂纹形式和3种破碎模式,分别为单裂纹、交叉裂纹、拱裂纹和模式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。μCT图像分析结果表明,颗粒破碎产生的裂纹主要集中于内孔隙较密集处。这说明内孔隙结构对于钙质砂颗粒的破碎行为具有重要的影响。     

珊瑚砂大剪切应变下的剪切特性和分形维数

利用Wille Geotechnik环向剪切仪对3种不同粒径的珊瑚砂进行了大剪切位移的环向剪切试验,探讨了颗粒破碎对珊瑚砂强度和残余应变发展的影响。试验结果表明：颗粒破碎随着剪切位移的增加逐渐增加,且初始粒径较大的均匀级配珊瑚砂粒径越大颗粒破碎越多。颗粒破碎对峰值强度和残余强度无影响,但对珊瑚砂的体积应变有显著影响,颗粒破碎较多的试样其体积应变也较大。建立了考虑长宽比、球形度和凹凸度的分形维数计算公式。由于颗粒破碎后颗粒形状在全粒径范围内的自相似性和无尺度性,考虑颗粒形状与不考虑颗粒形状的公式计算得到的珊瑚砂分形维数基本一致。     

珊瑚砂大剪切应变下的剪切特性和分形维数

利用Wille Geotechnik环向剪切仪对3种不同粒径的珊瑚砂进行了大剪切位移的环向剪切试验,探讨了颗粒破碎对珊瑚砂强度和残余应变发展的影响。试验结果表明:颗粒破碎随着剪切位移的增加逐渐增加,且初始粒径较大的均匀级配珊瑚砂粒径越大颗粒破碎越多。颗粒破碎对峰值强度和残余强度无影响,但对珊瑚砂的体积应变有显著影响,颗粒破碎较多的试样其体积应变也较大。本文建立了考虑长宽比、球形度和凹凸度的分形维数计算公式,由于颗粒破碎后颗粒形状在全粒径范围内的自相似性和无尺度性,考虑颗粒形状与不考虑颗粒形状的公式计算得到的珊瑚砂分形维数基本一致。     

珊瑚砂大剪切应变下的剪切特性和分形维数

利用Wille Geotechnik环向剪切仪对3种不同粒径的珊瑚砂进行了大剪切位移的环向剪切试验,探讨了颗粒破碎对珊瑚砂强度和残余应变发展的影响。试验结果表明:颗粒破碎随着剪切位移的增加逐渐增加,且初始粒径较大的均匀级配珊瑚砂粒径越大颗粒破碎越多。颗粒破碎对峰值强度和残余强度无影响,但对珊瑚砂的体积应变有显著影响,颗粒破碎较多的试样其体积应变也较大。本文建立了考虑长宽比、球形度和凹凸度的分形维数计算公式,由于颗粒破碎后颗粒形状在全粒径范围内的自相似性和无尺度性,考虑颗粒形状与不考虑颗粒形状的公式计算得到的珊瑚砂分形维数基本一致。     

南海钙质砂宏细观破碎力学特性

针对取自我国南部某海域的钙质砂样本,做了以下两方面工作：一是通过电子显微镜获取了钙质砂颗粒的几何投影图像,利用图像处理技术对图形进行黑白二值化处理,获取单元颗粒形状轮廓边界,使用圆度和粗糙度2个参数对钙质砂的颗粒形状进行定义和量化。二是通过不同围压下的三轴固结排水剪切试验及试验前后的颗分测量对比,研究了颗粒破碎对钙质砂的变形、强度、能量耗散等特性的影响。研究表明,大粒径钙质砂（粒径大于2.0 mm）和小粒径钙质砂（粒径小于0.5 mm）形态比较接近圆形、颗粒表面相对光滑;相比而言,中间粒径（粒径介于0.5～2.0 mm之间）钙质砂形状较不规则,表面棱角较多。钙质砂在三轴排水剪切过程中发生颗粒破碎,试样向着级配均匀的方向发展。随着初始围压的增大,颗粒破碎程度加大,土样整体剪胀趋势减小,而破碎引起的能量耗散增加。而在高围压（初始围压为600 kPa）剪切过程中,仅考虑摩擦耗散,以及同时考虑摩擦、体积耗散两种情况下,计算得到的最大颗粒破碎耗散分别可达土样总输入塑性功的25%和18%。     

基于细观特征的含水砂层蠕变潜力评价研究

在地面沉降过程中含水砂层的蠕变量不可忽视。本文以石英砂为试验材料,研究颗粒粒径、级配及形状对砂土蠕变特性的影响,并从细观角度定性和定量分析其蠕变机制,建立与宏观变形的联系。结果表明：砂土的蠕变过程分为稳定蠕变、减速蠕变和衰减蠕变3个阶段,砂土的粒径、级配及颗粒形状对蠕变特性产生影响：粒径越大,级配越好,颗粒形状越复杂,则任意时刻的蠕变速率越大,最终蠕变应变也越大。砂土细观参数可较好地反映其宏观蠕变特性,砂土的最终蠕变应变越大时,颗粒破碎程度越高,颗粒最终平均形状系数越大,孔隙率变化越大,最终面积概率分布指数也越大。在此基础上,引入砂土蠕变潜力评价指数(I_cp),提出了利用砂土颗粒与孔隙特征评价地面沉降中不同砂土层蠕变潜力的方法。     

堆石蠕变机理分析与颗粒破碎特性研究

根据大型压缩仪完成的堆石蠕变试验,结合颗粒破碎测试试验,对蠕变产生的机理进行了简要的理论分析,在力的作用下,细化破碎的堆石颗粒滑移充填孔隙是发生蠕变的重要原因。堆石颗粒的破碎可分为对应于主压缩变形的颗粒破碎和伴随蠕变变形的颗粒破碎。颗粒破碎引起堆石级配的细微改变,从而形成后期变形。     

中国南海钙质砂蠕变-应力-时间四参数数学模型

钙质砂是一种海洋生物沉积形成的具有特殊结构和力学性质的岩土材料,是我国南海岛礁吹填工程的物源材料。为进一步了解其蠕变特性,采用三轴流变仪对取自中国南海某岛礁的钙质砂进行不同围压条件下的长期蠕变试验研究。试验结果表明,在小于其破坏强度的恒定应力作用下,饱和钙质砂发生衰减蠕变,随时间增加,变形不断增加,但变形速率不断减小,直至变形稳定,所受应力越大则达到变形稳定所需时间越长,且蠕变变形量与所受偏应力正相关、与有效围压反相关。应力-应变与应变-时间均为非线性关系。试验研究发现,可采用幂函数对钙质砂蠕变应变-时间进行数学描述,基于试验结果,提出了一种蠕变应变与时间、偏应力和有效围压相关的四参数新的蠕变模型,可以对钙质砂的蠕变过程进行较好的数学描述;与经典的Mesri蠕变模型相比,所提出的数学蠕变模型不需要开展常规三轴压缩试验确定破坏时的峰值偏应力,减少了试验工作,具有一定的优势。     

钙质粗粒料颗粒强度和压缩特性的试验研究

目前对钙质土压缩特性的研究主要集中在钙质细砂,而实际工程中广泛存在钙质粗粒料,因此对钙质粗粒料压缩特性开展研究具有重要意义。通过颗粒强度测定仪和全自动大型固结仪对钙质土进行了单颗粒破碎试验和一维压缩试验,研究了颗粒粒径和相对密度对钙质粗粒料的颗粒强度和压缩特性的影响。单颗粒试验结果表明,钙质砂单颗粒的特征应力随着颗粒相对密度的增大而增大;单颗粒的破碎强度具有明显的尺寸效应,可利用单颗粒的特征应力进行标准化,且服从Weibull分布。压缩试验结果表明,单一粒径试样破碎后的分形维数随颗粒粒径的增大而增大;试样的Hardin破碎率与塑性功的关系为幂函数关系;在本次试验条件下,单一粒径试样的屈服应力与单颗粒的特征应力存在近似线性关系。     

钙质砂一维压缩回弹过程中声发射特征试验研究

为了揭示钙质砂在一维压缩回弹作用下的压缩变形、颗粒破碎特性以及声发射规律,对钙质砂进行了3种相对密实度下不同粒组的一维压缩回弹实验和声发射实验。通过对不同粒组、不同相对密实度的钙质砂进行一维压缩实验和同步的声发射实时监测,获得其压缩、回弹和声发射特性,最后通过筛分获得实验后的颗粒粒径分布,得出相对破碎势B_r。实验结果表明:钙质砂的压缩变形由颗粒位置调整和破碎两部分组成,其中颗粒破碎是产生压缩变形的主要因素,回弹曲线近似一条直线,表明压缩变形为不可恢复的塑形变形;压力相同时颗粒粒径越大,相对破碎势B_r越大。颗粒形状不同致使颗粒间填充作用与嵌合作用不同,影响颗粒的滑移与重排列,进而影响颗粒的压缩变形。两种砂的声发射计数率随粒径增大而增大,且都集中出现在800~3200 kPa的压缩阶段,钙质砂的压缩变形及破碎特性与其声发射特征具有一致性,钙质砂声发射计数率与时间关系曲线和应力与时间关系曲线吻合较好,可通过声发射计数率与时间关系曲线来反映钙质砂的力学特性。钙质砂存在一个声发射事件最少的“临界孔隙比”,本次实验中1~2 mm钙质砂临界孔隙比为1.33~1.41,试样的初始孔隙比偏离该临界值时,声发射活动会有不同程度提高。     

大位移剪切下钙质砂破碎演化特性

为了揭示钙质砂在大位移剪切作用下的破碎及形状演化规律,对南海钙质砂进行了系列不同剪切位移下的环剪试验。首先,利用筛分和激光粒度分析获取试验后的颗粒粒径分布,分析颗粒分布变化情况;其次,通过粒径分布对破碎进行定量分析;最后,运用图像处理技术计算颗粒圆度和扁平度,分析了颗粒形状的变化情况。试验结果表明,在不同的竖向压力下,颗粒会达到不同的稳定级配,但达到稳定所需的剪切位移相同;经历大位移剪切后,出现粒径为0.01～0.075 mm钙质砂破碎严重的现象;随剪切位移的增加,颗粒的圆度和扁平度减小。针对细小颗粒破碎严重的现象,修正了相对破碎率;修正后的相对破碎率能考虑粒径为0.01～0.075 mm颗粒发生的破碎。剪切后的钙质砂颗粒更为规则,整体轮廓趋于圆形、表面更光滑。     

颗粒破碎对钙质砂压缩特性影响的试验研究

利用南海钙质砂和阿拉伯湾钙质砂,进行侧限压缩试验,对其压缩特性进行分析,得到了相应的压缩指数;采用相对破碎率为度量指标,评价了钙质砂在压缩试验过程中的颗粒破碎情况。同时根据试验数据得到了不同初始相对密实度的砂样的塑性功,通过建立塑性功与相对破碎率以及塑性功与压缩指数之间的关系,探讨了颗粒破碎对钙质砂压缩特性的影响。研究显示,在本次试验条件下,颗粒破碎是导致钙质砂压缩变形的主要因素,钙质砂的中值粒径以及碳酸钙含量等因素对其颗粒破碎程度有明显影响;钙质砂的相对破碎率与其输入的塑性功有关,并且受到初始相对密实度的影响,采用相对密实度进行归一化后,两者呈现较好的幂函数关系;通过建立钙质砂压缩指数与塑性功之间的关系,进一步建立了钙质砂的压缩指数与相对破碎率之间的关系,经相对密实度归一化后,两者也呈现幂函数规律,此规律可以用于评价颗粒破碎对钙质砂压缩特性的影响。     

Experimental study on the mechanical behaviors and particle breakage characteristics of calcareous sand from South China Sea under repeated one-dimensional impacts

The behavior of calcareous sand under repeated impact considerably differs from that of silica sand. Notably, calcareous sand is important in engineering projects in the South China Sea, such as pile driving. To understand the behavior of calcareous sand under multiple impacts, the improved split Hopkinson pressure bar (SHPB) system was selected for one-dimensional impact tests of silica and calcareous sand with particle sizes of 0.25–0.50 mm. The sand specimens were impacted 1, 3, 7 and 10 times. The test results reveal that the dynamic apparent stiffness of silica sand is approximately 6–8 times that of calcareous sand. The dynamic apparent modulus values of the two sands increase with an increase in the number of impacts, N. For calcareous sand, the compression index C_c decreases with an increase in N, and silica sand shows the opposite trend. The yield pressure p_c of calcareous sand under impact loading is approximately 40% of that of silica sand. With an increase in N, the energy absorption capacity, energy dissipation rate and damage variables of the two sands exhibit a downward trend. In addition, the energy absorption efficiency of calcareous sand is better than that of silica sand. During the process of impact, a large number of sand particles will break, and particle breakage will change the particle size distribution (PSD), thereby significantly affecting the physical and mechanical properties of the corresponding soil. Based on the test results and fractal theory, an evolution model is established to characterize the PSD evolution in the breakage state for uniformly graded calcareous sand. Moreover, a Markov chain model is proposed to describe the PSD evolution of nonuniformly graded specimens. The predicted results of both models show agreement with the experimental values.

     

基于颗粒破碎的钙质沉积物高压固结变形分析

采用高压固结试验,研究珊瑚礁沉积碎屑物试样在固结、回弹过程中的变形特性以及在不同加载方式、含水条件下的颗粒破碎情况,分析含砂量对变形的影响以及不同试验条件下的颗粒破碎规律。研究结果表明,不同的含砂量使砂、砾在试样固结时起到的作用不同,导致试样变形规律存在差异;加载方式、含水条件等对颗粒破碎影响显著,并在颗粒破碎结果分析中发现,0.25 mm是颗粒破碎时相对稳定的粒径,是研究钙质砂颗粒破碎的一个重要粒径界限,其结果对于将钙质碎屑物作为稳定的填筑材料、提高珊瑚礁地基稳定性等具有实用价值。     

考虑颗粒破碎的钙质砂修正邓肯-张E-B模型

在常规应力水平下颗粒发生破碎是钙质砂有别于其他砂土的重要性质之一,且由于颗粒破碎的存在,使用传统的本构模型无法很好地模拟钙质砂的力学行为。因此本文以最为普及的本构模型之一--邓肯-张E-B模型为基础,对其进行颗粒破碎方面的修正以得到一个能用于钙质砂的本构模型。具体方法为:首先本文采用Hardin提出的相对破碎Br这一指标来度量颗粒破碎的大小。之后研究分析得出了颗粒破碎对邓肯-张模型参数(内摩擦角φ、割线模量E50及体积模量B)的影响规律。然后通过颗粒破碎与输入能量之间的关系将各状态下无法直接确定的相对破碎Br与可确定的应力-应变状态联系起来。最终得到了一个考虑颗粒破碎的钙质砂修正邓肯-张E-B模型。为验证模型的准确性及适用性,本文还使用该模型对4种不同粒径范围且试验围压不同的钙质砂的三轴排水行为进行了模拟。结果表明拟合效果较好,模型能适用于各种不同粒径范围的钙质砂,并且在颗粒破碎较大的情况下明显优于传统邓肯-张模型。