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。     

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。     

珊瑚砂颗粒形状特征分析

珊瑚砂粒形状及粗糙度等微细观特性影响着砂土的宏观力学性质,采用图像处理技术对珊瑚砂粒的长宽比、面积、圆度、分形维数进行了分析。使用3D测量显微镜对砂粒的表面粗糙度,界面扩展面积比、峰顶点的算数平均曲率进行了测量计算。试验结果表明:大部分珊瑚砂颗粒的长宽比介于1.2~1.5之间,且长宽比呈现出负偏态分布。砂颗粒的圆度则主要集中于0.75~0.9区间,其表现为负偏态分布。砂颗粒的面积主要在0.015~0.035 cm2之间,颗粒面积为正偏态分布。砂粒的分形维数D基本介于1.04~1.10之间,表明砂颗粒具有很强的自相似性。粗糙度的分析结果表明,珊瑚砂颗粒表面平整度差,分布有较多的侵蚀坑,局部存在尖锐的凸起,砂粒表面粗糙度S_a为20.078 μm。界面扩展比S_dr为0.167,砂颗粒表面分布有若干倾斜面。峰顶点的算数平均曲率S_pc为216.641 mm-1,显示出砂颗粒之间的接触较为尖锐。上述研究结果可为珊瑚砂宏微观力学特性研究提供参考。     

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。     

剪切作用下钙质砂颗粒破碎试验研究

钙质砂是一种海洋沉积物,与陆源砂比起来,钙质砂受力后易产生颗粒破碎,从而使其力学性质发生变化。对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行了不同围压、不同应变下的三轴剪切试验,对试验前后的试样进行了颗粒大小分析试验。试验结果表明,钙质砂在三轴剪切作用下颗粒破碎十分严重,同时用Hardin模型对其破碎进行了度量,并就围压、剪切应变与破碎之间的关系进行了分析。     

珊瑚颗粒力学特性应变率效应试验研究

珊瑚单颗粒破碎特性与珊瑚砂高压缩性、剪缩性及良好蠕变性等宏观力学行为密切相关。珊瑚颗粒的应变率效应对于不同形式荷载作用下珊瑚砂强度与变形特性研究具有重要意义。对约300颗珊瑚颗粒进行0.1～50 mm/min位移速率下的单颗粒破碎试验,探讨加载应变速率对颗粒破碎强度、破碎模式、破碎能量及破碎分形的影响。结果表明,珊瑚颗粒破碎强度服从Weibull分布规律,且特征破碎强度随应变率的提高非线性增大;随着加载速率的增大,颗粒主劈裂破坏往往先于棱角的局部碎裂和表面研磨,相应的荷载?位移曲线呈现出由峰前“多峰”向峰后“多峰”现象转变;珊瑚颗粒破碎能量密度和破碎分形维数同样具有明显的应变率效应,且均与对数应变率呈线性正相关关系,表征能量耗散和破碎程度均随加载应变率的增大而增大。     

珊瑚砂界限干密度确定方法的比较研究

界限干密度(包含最大及最小干密度)是影响砂土力学性质的重要参数,将国标规范中干密度测定方法应用于岛礁珊瑚砂时,该类砂在干密度测定过程中产生了不可忽略的颗粒破碎,使得测定结果严重失真。分别采用中国(GB)、美国(ASTM)、日本(JIS)三国的相关规范,开展了针对珊瑚砂的界限干密度测定方法的比较研究;并与ISO标准砂的测定结果进行对比,进而提出适合于珊瑚砂干密度测定的建议方法。研究结果表明：对于不同粒径的珊瑚砂与标准砂,3种规范最小干密度测定结果为：ρ_dmin^JIS<ρ_dmin^GB<ρ_dmin^ASTM;最大干密度测定结果为：ρ_dmax^JIS<ρ_dmax^GB≈ρ_dmax^ASTM。珊瑚砂与标准砂在3种规范中干密度差异性大小△ρ_d随粒径变化规律存在显著的区别。随着含水率的增大,珊瑚砂的最大最小干...     

珊瑚砂三维孔隙微观特性研究

孔隙是多孔介质内渗流的发生场所,与介质渗透性存在必然的联系。珊瑚砂因其特殊的物质来源和形成过程,较陆源砂具有截然不同的孔隙特性。通过一系列微观研究手段,从本质上揭示了珊瑚砂特殊孔隙性质的原因。研究发现,从孔隙形状、孔喉尺寸和整体连通性3个角度描述孔隙性质较为合理。其中,孔隙形状用形状因子度量,孔喉尺寸包括孔隙半径和喉道半径,珊瑚砂多孔介质整体连通性利用配位数进行描述。而影响孔隙形状、孔喉尺寸和整体连通性的主导因素包括颗粒形状和颗粒表面粗糙度两方面。其中颗粒形状主要影响孔隙形状、喉道尺寸、孔喉尺寸离散性和介质内部连通性的均匀分布情况。颗粒表面粗糙度主要影响孔隙形状、孔隙形状离散性、孔隙尺寸和介质整体连通性。     

钙质砂抗剪强度特性的环剪试验

珊瑚礁沉积的钙质砂与石英砂的物理力学性质有较大差别。对取自南海岛礁的钙质砂进行了单次往返环剪试验以分析钙质砂的抗剪强度特性,试验中考虑了相对密实度和竖向应力对结果的影响,并与相同级配和试验条件下的石英砂进行对比分析。结果表明：钙质砂正向剪切时应力-位移曲线为软化型,具有明显的残余强度特性,而反向剪切时则表现为硬化型,正向和反向剪切强度基本一致;石英砂正向剪切和反向剪切均表现为软化型。钙质砂正向剪切和反向剪切残余强度与峰值强度的比值在0.75～0.93之间;石英砂正向剪切和反向剪切残余强度与对应峰值强度的比值在0.89～0.96之间。相同级配和试验条件下,钙质砂残余强度均大于石英砂,且强度比值基本保持在1.05～1.3之间。在100、200 kPa竖向荷载作用下,钙质砂0.5～2.0 mm的颗粒发生了破碎,破碎率分别为4%和6%。     

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。     

含碳酸盐混合砂的三轴剪切试验研究

含碳酸盐混合砂作为一种特殊的岩土材料主要分布于热带沿海地区,独特的成因和组构使得其具有不同于陆源砂的岩土工程特性。针对取自我国南海的珊瑚砂与取自长江流域石英砂按不同质量百分比配制而成的混合砂,开展不同围压下的三轴固结排水剪切试验,研究不同碳酸钙含量混合砂的剪切特性。结果表明:(1)混合砂峰值强度随有效围压和碳酸钙含量的增加呈近似线性增长;(2)围压及碳酸含量是影响混合砂剪胀特性的主要参数,随着碳酸盐含量的增加,胀缩转换点及其对应的轴向应变量增大;(3)随着碳酸盐含量的增加,混合砂的黏聚力呈线性增加趋势,峰值内摩擦角?f缓慢增长;(4)混合砂的相对破碎率Br随碳酸钙含量及围压的增加而增加。     

颗粒破碎及剪胀对钙质砂抗剪强度影响研究

钙质砂是海洋沉积物中的一种,富含碳酸钙或其他难溶碳酸盐类物质的特殊介质。由于其颗粒质脆,受力后易产生破碎,表现出与常规陆源砂不同的力学性质。通过对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行三轴剪切试验,分析了钙质砂颗粒破碎与剪胀对其抗剪强度的影响。试验结果表明,颗粒破碎与剪胀对钙质砂强度有着重要影响,低围压下剪胀对其强度的影响远大于颗粒破碎,随着围压的增加,钙质砂颗粒破碎加剧,剪胀影响越来越小,而颗粒破碎的影响则越来越显著;颗粒破碎对强度的影响随着围压的增大而增大,当破碎达到一定程度后颗粒破碎渐趋减弱,其影响也渐趋于稳定。     

饱和悬浮塑料砂流动变形可视环剪试验研究

为了分析剪切条件下零有效应力状态砂土的流动变形规律,对传统环剪仪进行了试样可视化改造,研制了透明环形剪切盒,通过对剪切盒膨胀性能分析及与标准砂的剪切试验对比,验证了环剪装置改造的合理性。通过分析不排水条件下饱和悬浮塑料砂的剪应力-应变曲线,发现其剪切强度具有应变软化的特性。通过分析环剪仪中饱和悬浮塑料砂试样的有效应力,证实了可视环剪试验中的土体基本处于零有效应力状态。开展了饱和悬浮塑料砂的流动变形可视环剪试验研究,结果表明：饱和悬浮塑料砂在固结不排水条件下剪切变形不连续,直接在剪切面发生断裂;在不固结不排水的条件下饱和悬浮塑料砂的剪切变形表现出流动形态,且与剪切速率有关：在低剪切速率下,剪切变形仅在剪切面处形成具有曲线轨迹的流动变形而在其他区域不发生变形;而在高剪切速率下剪切变形为整体的倾斜变形,符合黏性流体的流动变形特征。     

高应力下剪切速率对砂土抗剪强度影响研究

应用DRS-1型高压直剪仪,进行了16组法向应力水平、5种剪切速率条件下福建标准砂的抗剪强度试验,试验结果表明,高应力下砂土的抗剪强度受法向应力和剪切速率的共同影响。法向应力和剪切速率通过影响颗粒破碎和颗粒重排列程度等试样的细观参数,决定了砂土宏观上抗剪强度的发挥。当法向应力较小时,砂土抗剪强度与剪切速率基本无关;但是当法向应力较大时,较快剪切速率条件下的砂土抗剪强度变小,且其摩尔强度包线出现了“下弯-上扬”循环波动,因此不可以忽略剪切速率对砂土抗剪强度的影响。     

土石混合料剪切面分形特征试验研究

土石混合料因具有良好的工程特性而被广泛应用于道路、堤坝等工程，填筑体受力后往往沿薄弱面发生剪切破￡混合料的抗剪强度成为稳定和变形分析的重要力学指标。由于土石混合料物质组成的复杂性、结构分布的不规律性及采柠困难性，且受检测仪器的限制，确定其强度指标较为困难。应用改进的直剪试验仪进行了不同类别、不同最大粒径土石福料的室内大型直剪试验，在获得强度指标同时，再现剪切面的实际情况，量测剪切面的起伏特征。根据分形几何学原理，切面具有良好的分形特征，应用三角形棱柱表面积覆盖法编程计算了剪切面的分形维数。初步建立了剪切面分形维数与福料杭萌强度之间的关系，用来快速预测土石混合料的强度指标。     

结构面剪切强度参数三维分形估算

现有结构面剪切强度参数经验估算公式多建立在结构面形态二维描述基础上,对结构面形态的三维特征考虑不够。作者自行研制了结构面形态三维量测设备,对结构面表面形态进行三维量测,将量测结果与分形理论相结合,采用分形维数表征结构面三维形态特征。在对大量硬性结构面剪切试验结果及表面形态描述结果进行统计分析的基础上,提出将JRC-JCS估算公式中的JRC用分形维数的表达式替换,进而建立了基于结构面表面形态三维分形表述的剪切强度估算公式:τ=σntg[(6.12D-13.53)lg ((JCS)/σ_n)+φb]。实际应用结果表明,改进后的估算方法能得到令人满意的结构面剪切强度参数。