基于染色标定与图像颗粒分割的钙质砂颗粒破碎特性研究

针对混合粒径钙质砂中不同粒径颗粒绝对破碎量无法获得和现有破碎率难以考虑破碎重叠掩盖破碎量这两个问题开展研究。设计了粗砂、中砂、细砂颗粒集中分布的3种级配钙质砂试样,进行侧限压缩试验。对不同粒径区间钙质砂分别染成不同颜色,拍照获取各粒径区间钙质砂破碎信息;采用Image J软件进行彩色图像颗粒分割、二值化处理、统计各颜色颗粒面积,换算得各颜色颗粒破碎后含量;并提出考虑破碎重叠掩盖的试样累积破碎率指标B_a。结果表明,随压力增大及颗粒分布集中,试样的重叠掩盖破碎量增大。混合粒径钙质砂中的中间粒径(0.25~1.00mm)颗粒易于破碎,各粒径颗粒破坏模式以颗粒边角破碎为主;累积破碎率B_a值较相对破碎率B_r较大,与垂向压力对数值间满足线性关系,为颗粒破碎研究提供了新的思路。     

钙质砂砾剪切强度及变形的粒径效应试验研究

颗粒形态不规则、颗粒级配不均匀的钙质砂砾在施加荷载后具有明显的粒径效应。通过对不同粒径、干湿条件下的钙质砂砾进行剪切试验,分析不同剪切方式下钙质砂砾的剪切应力-位移关系特点,研究钙质砂的剪切强度及变形的粒径效应。结果表明：粒径从0.075 mm增至60 mm时,钙质砂砾的峰值强度呈现出先增后减再增的特点;粒径为0.25～0.5 mm是峰值强度变化的拐点,此粒径下钙质砂颗粒产生更多的破碎;由于拐点粒径的影响,内摩擦角随粒径增加呈现出先增再减的规律,似黏聚力则随粒径增加呈现出先增后减再增的规律;由于水膜效应的存在,一定含水条件下的钙质砂抗剪强度比风干条件下低;由于不同剪切方式下的有效应力路径及剪胀角存在差异,直剪试验获得的似黏聚力参数较单剪试验偏大,且随着粒径的增加,偏差越大。     

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。     

考虑形貌特征和级配影响的钙质砂压缩破碎力学特性研究

针对岛礁大型构筑物修建过程中由于高应力而导致作为地基材料的钙质砂发生破碎,进而引发地基沉降变形问题。本文采用高压固结仪对钙质砂开展了一系列终止压力为16 MPa的侧限压缩试验,研究了高应力水平下钙质砂的压缩破碎特性。同时基于显微图像采集和处理技术对钙质砂颗粒的形状参数(圆度和完整度)进行了定量化表征,研究了钙质砂的形状分布规律。最终分别探讨了级配特征(如平均粒径、不均匀系数)、形貌特征等因素对钙质砂压缩和破碎特性的影响。结果表明:随着平均粒径的增大,钙质砂颗粒的形状不规则程度逐渐增加,其棱角也越发育。随着竖向应力的增大,在e-logp平面内,不同粒径钙质砂的压缩曲线逐渐会聚并相交于一条直线,初始粒径对其压缩特性的影响逐渐减小以致消失。而不同级配钙质砂的压缩曲线也发生会聚,但未相交于一条直线。当试样的不均匀系数(C_u)相近时,其压缩破碎量随着平均粒径(d₅₀)的增大而逐渐增加,当试样的d₅₀相近时,其压缩破碎量随着C_u增大而逐渐减小。上述研究成果将对南海岛礁大型工程建设提供重要科学依据。     

直剪剪切速率对钙质砂强度及变形特征的影响

为深入研究剪切速率对钙质砂强度和变形特征的影响,对钙质干砂进行不同剪切速率条件下的直剪试验。研究结果表明,随剪切速率从0.1 mm/min增至2.4 mm/min时钙质砂抗剪强度先减小后增大,其内摩擦角亦呈现出先减小后增大趋势,临界剪切速率为1.6 mm/min;低法向应力条件下钙质砂试样随剪切速率的增加更易于呈现剪胀现象,高法向应力条件下剪切速率从0.1 mm/min增长至1.6 mm/min时试样整体剪缩量逐渐减小;当剪切速率继续从1.6 mm/min增长至2.4 mm/min时试样最大剪缩量逐渐增加;不同法向应力水平条件下钙质砂加载速率效应的细观机制不同,较低应力水平条件下钙质砂加载速率效应主要由试样内部颗粒错动、换位、重新排列引起,在较高应力水平条件下钙质砂加载速率效应主要由颗粒破碎引起。     

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%。     

钙质砂一维蠕变分形破碎特性宏微观试验研究

钙质砂是远洋地区港口、机场和民用建筑等构筑物的天然地基材料。通过钙质砂一维压缩蠕变试验和微观结构测试,发现了蠕变前后表面孔隙面积减小且呈分散分布的规律以及试验过程中试样瞬时变形、快速变形和衰减变形特征与粒径的高度相关性;利用基于分形理论改进的相对颗粒破碎率和质量分形维数描述了蠕变前后颗粒破碎程度,得到了分形维数和蠕变与时间的衰减形态曲线关系以及宏观质量分形维数和微观表面分形维数的线性关系,并在此基础上对单一粒径组钙质砂蠕变过程中的分形破碎行为进行了多尺度分析和宏微观跨尺度关联性研究,获得了蠕变过程中颗粒破碎发展以及微观孔隙变化规律,证明了钙质砂蠕变过程中的颗粒重组排列、破碎和研磨行为,揭示了钙质砂蠕变机制。     

不同应力路径下钙质砂的力学及变形特性试验研究

钙质砂是海洋钙质生物死亡后形成的一种具有丰富内部孔隙、低强度、不规则形状和易破碎的岩土材料。通过对钙质砂分别开展的等向压缩、常规三轴压缩、平均主应力为常数的三轴压缩、减压的三轴压缩和等应力比加载5种试验,探讨了不同应力路径下钙质砂的力学及变形特性。试验结果表明应力路径对钙质砂的抗剪强度和变形特征具有重要影响。钙质砂在等向压缩条件下具有明显的各向异性特征;常规三轴压缩试验条件下,密实钙质砂呈现低压剪胀、高压剪缩的变形特征,且峰值强度与初始固结压力之间呈幂函数关系;平均主应力为常数的三轴压缩试验中,增加偏应力会引起试样的体变;与常规三轴压缩试验不同,在减压的三轴压缩试验中,应力-应变关系曲线均表现为应变软化;而等应力比加载试验中,试样基本处于弹性状态下,且轴向应力与轴向应变之间呈幂函数关系。试验结果还发现钙质砂的切线泊松比不仅要考虑钙质砂的变形和应力状态等的影响,还要考虑应力路径的影响。不同应力路径试验条件下峰值应力比大小顺序与最大体变大小顺序不受初始固结压力的影响。钙质砂的峰值内摩擦角均随着初始固结压力的增大而减小,大致与初始固结压力的对数呈线性函数关系。     

含橡胶纤维钙质砂的渗透和固结特性试验研究

珊瑚岛礁常年处于复杂的海洋动力环境中,岛上堤坝围堰、基坑等构筑物的地基渗透变形甚至破坏会导致地基承载力失效的可能性变高。为探究橡胶纤维固化钙质砂的渗透特性和固结特性,采用常水头渗透试验和固结试验研究不同纤维含量下钙质砂的渗透规律和固结变形规律,并设置含纤维玻璃珠对照组。钙质砂具有颗粒形状极不规则、多棱角、内孔隙多等特点,为进一步研究颗粒形状的影响,采用高速动态图像粒度分析仪对钙质砂和玻璃珠的颗粒形状和粒径进行分析。试验结果表明,纤维含量对钙质砂试样渗透特性几乎无影响,但是含纤维玻璃珠试样中,随着纤维含量的增加,渗透系数先增加后减小。由于形状不规则橡胶纤维的加入,一定程度上填补了钙质砂之间的孔隙;钙质砂试样存在 800 kPa 的压力阈值,当压力超过800 kPa后,其压缩模量增幅变缓;不同纤维含量试样的e-lg p曲线可以用Harris模型表示,钙质砂组的材料系数 C= 5,玻璃珠组材料系数C= 3,此外,材料参数a、b与纤维含量有较好的线性关系。提出了合理的预测模型指导地基加固,具有十分重要的理论价值与工程实际意义。     

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。     

分级加卸载下南海珊瑚泥一维固结长期变形试验及模型研究

南海珊瑚泥是珊瑚群体死后的骨胳、碎屑聚积形成的海洋岩土体钙质软泥,具有特殊的工程性状,研究其在荷载作用下与时间相关的长期非线性变形对吹填岛礁建设和长期稳定分析具有重要意义。对珊瑚泥进行了3组不同加卸载方案的一维固结压缩试验,通过改变加载时间与加卸载循环圈数探究应力历史对其长期变形性质的影响,并针对珊瑚泥在加卸载试验条件下呈现出的瞬时变形、延时衰减与延时稳定变形3阶段规律,采用改进的Burgers模型拟合不同竖向应力作用下的ε-t（应变-时间）曲线,具有较高拟合精度。同时分析模型参数后发现,随着分级加载时间提高,瞬时应变增量及其增长率下降,最终荷载下的延时衰减时间缩短,延时稳定应变速率及最终荷载下的总应变增量减小。同一加卸载循环圈数中,同竖向应力下卸载阶段的瞬时应变增量小于加载阶段。随着加卸载循环圈数的增加,加、卸载各阶段瞬时应变增量均减小且二者相近,延时衰减时间缩短,延时稳定应变速率及最终荷载下的总应变增量减小。研究了分级加载时间与加卸载循环圈数对珊瑚泥长期变形性质的影响,旨在为岛礁建设中的堆载预压方案提供理论依据。     

循环单剪下珊瑚钙质砂和普通硅质砂剪切特性对比研究

对普通硅质砂和西沙群岛珊瑚钙质砂开展多级正应力下循环单剪试验,对比多循环周期下两种砂土剪切性质和颗粒破碎的差异。研究发现,两种砂样在循环剪切下体积变化都比较微弱,剪切过程中存在阶段性剪胀,使得试样的轴向位移呈波动变化;循环单剪下剪应力峰值包络线可以用联合型指数函数表达;剪应力随循环周期变化分为同步阶段和差异阶段,两个阶段转变节点对应的循环周期数随着正应力的增大而迅速减小;同步增长阶段珊瑚钙质砂和普通硅质砂的剪应力变化一致,在差异阶段普通硅质砂的剪应力要高出珊瑚钙质砂。两种砂剪应力差异程度随试验正应力不同而变化,普通硅质砂剪应力最大可高出珊瑚钙质砂14.7%;珊瑚钙质砂和普通硅质砂的颗粒破碎存在明显差异,珊瑚钙质砂全粒径范围内颗粒破碎分布更均衡,普通硅质砂在特定粒径区间内出现了剧烈的颗粒破碎,颗粒级配曲线存在明显拐点。普通硅质砂和珊瑚钙质砂滞回曲线的形状及随循环次数的变化规律有显著差异,是两种砂样剪切性质不同的重要体现。     

岛礁吹填珊瑚砂力学行为与颗粒破碎特性试验研究

珊瑚砂是岛礁陆域吹填唯一的材料,因其特殊的海洋生物成因和孔隙结构特征,珊瑚砂颗粒在常规工程应力水平下就会发生破碎。通过对取自南海某吹填岛礁的珊瑚砂开展室内三轴固结排水剪切试验,研究珊瑚砂强度、变形参数和颗粒破碎程度随相对密实度、围压的演变规律,并与其他研究成果中的南海珊瑚砂强度参数进行对比分析。研究结果表明：珊瑚砂应变软化及剪胀特征随有效围压的增大、密实度的减小而逐渐减弱;在常规应力范围内,得到珊瑚砂峰值摩擦角和临界状态摩擦角的取值范围分别为33o～58o和28o～47o,且均随有效围压的增大而减小;建立了珊瑚砂割线模量E50与相对密实度、有效围压间的关系式;珊瑚砂峰值摩擦角与修正相对破碎指数Br*间的关系可用指数为负数的幂函数关系式拟合,且当颗粒破碎程度较高时,峰值摩擦角随修正相对破碎指数的增大而减小的趋势变缓;珊瑚砂修正相对破碎指数随塑性功的增大近似以双曲线的形式增长,密实度对两者间的关系影响不大。该研究成果可为南海岛礁基础设施的安全设计提供参考。     

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。     

中国南海吹填岛礁钙质砂动力特性试验研究

南海对我国经济发展、资源开发与运输、维护国土完整具有战略性意义。目前我国已在南海海域以吹填方式建设了一系列的岛礁,并在其上修建了一系列的结构物（房屋、防波堤、机场等）。作为这些重要结构物的地基材料,珊瑚钙质砂在极端波浪、海底地震等环境荷载作用下的动态响应特性对评价其上结构物的安全稳定性具有重要的意义。以我国南海珊瑚岛礁吹填工程为背景,对取自岛礁吹填体现场的钙质砂样品,以吹填现场实测的颗粒级配和干密度为依据,开展动态三轴循环试验,研究我国南海珊瑚岛礁吹填体钙质砂地基土的动力特性。试验结果表明：岛礁钙质砂受动态循环荷载作用,在排水不通畅的条件下可以达到部分液化状态,在排水通畅的条件下不发生液化;在不排水条件下,岛礁钙质砂归一化的累积孔压u/ 与振次比N/Nf符合Seed提出的反正弦孔压发展模式;在不排水条件下,所有岛礁钙质砂样品的动态变形模量Ed /E0与归一化应变?m /?r之间全部重合在一条双曲线上,表明不排水条件下岛礁钙质砂的Ed /E0与?m /?r之间的关系不受干密度和颗粒级配的影响,具有很好的统一性。     

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。     

钙质土颗粒咬合作用机制

形状不规则的钙质土在剪切应力作用下土颗粒之间存在咬合作用,从而使抗剪强度显著提高。为研究钙质土颗粒的咬合作用机制,针对不同粒径的钙质土开展三轴固结不排水和固结排水试验,并对颗粒形状进行了分析,揭示了钙质土咬合力的形成机制和表现形式。研究表明：①不规则的颗粒形状是钙质土产生咬合力的前提条件;②在不同粒径的钙质土中,因不同形状颗粒的含量存在差异导致咬合力大小也不同;③咬合力大小受应力水平影响较为明显,在低围压下咬合作用导致剪胀而提高内摩擦角;在高围压下咬合作用克服颗粒强度做功,造成颗粒破碎,提高黏聚力值而降低有效内摩擦角。钙质土颗粒之间的咬合对强度有明显增强作用,在工程设计中应充分考虑咬合力的影响。     

珊瑚颗粒形状对钙质粗粒土的压缩性能影响

珊瑚颗粒形状不规则是其显著区别于陆源土的一大特征。为揭示珊瑚颗粒形状对钙质粗粒土压缩性能的影响,人工挑选出不同形状(块状、枝状、棒状、片状)的珊瑚颗粒,以块状颗粒为基础,与其他3种不同形状的粗颗粒任意一种混合,控制不同颗粒形状配比制成钙质粗粒土试样,完成室内压缩试验,对比分析试验前后珊瑚颗粒的圆度、长宽比、扁平度和凹凸度等形状参数,评价颗粒形状对压缩性能的影响。结果表明:(1)粒径为10~20 mm钙质粗粒土的压缩模量是4~5. 5 MPa,回弹系数为42~53;(2)随枝状、棒状或片状颗粒掺量的增加(0、10%、20%、30%),试样压缩模量呈小幅波状变化,回弹系数呈持续减小趋势;(3)各加载区间应力-应变曲线包括应力快速增长阶段、应力-应变同步增长阶段、应变增长阶段共3个阶段和1个稳定点;(4)随枝状颗粒掺量的增加,试样的长宽比和凹凸度逐渐增加,圆度和扁平度基本无变化;因颗粒破碎的影响,试验后试样的长宽比及扁平度有所增加,圆度及凹凸度则有所减小。选择钙质粗粒土地基时,应考虑其压缩性能,避免施工初期的快速加载。     

Mechanical characteristics and particle breakage of coral sand under one-dimensional repeated loading

Coral sand, which is an important filler resource in coastal areas, is continuously subjected to repeated waves or traffic loading. In this study, a series of oedometer tests are conducted on coral sand and silica sand under repeated loading, and the results are compared. The influence of the initial density and number and amplitude of repeated loading on the volumetric deformation, soil stiffness, and particle breakage are investigated. The results reveal that the volumetric deformation and particle breakage of coral sand mainly occur in the first loading stage and increase by increasing loading amplitude and reducing initial density. Compared to silica sand, the soil stiffness is lower and volumetric deformation is greater in coral sand during the initial loading stage. However, the opposite trend is observed for the subsequent loading. Finally, three power functions are proposed to predict the volumetric deformation and particle breakage of coral sand under repeated loading.