考虑钙质砂颗粒破碎的分数阶边界面本构模型

钙质砂作为海洋工程中广泛应用的建筑材料，颗粒破碎会导致其强度和剪胀性降低，压缩性增加，影响构筑物的安全和稳定。通过引入破碎应力建立考虑颗粒破碎的临界状态线来描述破碎对临界状态线位置和形状的影响；并基于分数阶微分和状态相关理论建立了统一的状态相关分数阶塑性流动法则；在边界面塑性理论和临界状态理论框架下建立了考虑钙质砂颗粒破碎和状态相关特性的分数阶塑性边界面本构模型。模型能够模拟不同初始密实度和围压条件下钙质砂三轴排水试验结果和颗粒破碎影响下的状态相关行为，并验证了模型的适用性。     

三轴试验条件下钙质砂颗粒破碎影响因素研究

针对钙质砂颗粒易破碎的特点,对取自南海某礁的钙质砂进行大量三轴试验,研究钙质砂在不同围压、粒径、级配、密实度、排水条件和含水率条件下的颗粒破碎情况,分析以上因素对钙质砂颗粒破碎的影响。试验结果表明:钙质砂颗粒破碎受围压影响显著,与粒径并没有明显相关性;级配越好的钙质砂破碎越小;密实度增大会导致颗粒破碎加剧;不同排水条件下钙质砂颗粒破碎受有效围压影响;颗粒破碎随含水率增加而变大。     

钙质砂的颗粒破碎和剪胀特性的围压效应

低应力水平下的颗粒破碎现象使钙质砂的应力-应变关系具有特殊性，引入颗粒强度的概率分布，得到描述颗粒破碎的损伤参量，建立了钙质砂的损伤边界面模型，分析了颗粒破碎、剪胀性、围压三者的关系，理论计算结果与试验结果吻合较好。     

钙质砂的耦合变形机制与本构关系探讨

针对低应力下钙质砂的颗粒破碎现象具有特殊性，分析了围压对钙质土颗粒的破碎的影响，揭示其变形过程的力学机制；然后考虑钙质土的颗粒破碎与滑移两种变形机制的耦合作用，并分别采用损伤模型和边界模型予以描述。理论计算与试验结果吻合较好。     

颗粒破碎对钙质砂变形及强度特性的影响

利用人工钙质砂和三轴剪切试验手段，就颗粒破碎及其对钙质砂变形和强度特性的影响进行分析研究。结果表明，颗粒破碎程度与对其输入的塑性功密切相关；颗粒破碎的发生使钙质砂剪胀性减小，体积收缩应变增大，峰值强度降低。     

考虑颗粒破碎的钙质砂边界面循环本构模型

钙质砂作为一种海洋生物成因的易破碎材料,由其构成的地基在海洋环境下长期受到动荷载的作用,故模拟钙质砂在循环荷载作用下的颗粒破碎及其对应力应变行为的影响具有重要意义。将引起塑性应变和颗粒破碎的机制分解为两种:有效球应力增加引起的压缩机制和剪应力比变化引起的剪切机制。压缩机制引起的颗粒破碎可由Hardin公式模拟,为适应复杂应力路径,在Hardin公式的基础上建立了增量型的压缩破碎模型。剪切机制引起的颗粒破碎满足两个"递减率":(1)在每一个单向剪切过程中,颗粒破碎的累积速率总是在单向剪切起始处最大,并随着单向剪应变的增加而减小;(2)在总的剪切过程中,颗粒破碎的累积速率随颗粒破碎量的增大而逐渐减小。在边界面本构模型框架中引入所建立的压缩和剪切破碎模型,通过随颗粒破碎量移动的临界状态线反映颗粒破碎对模量、强度和剪胀等应力应变行为的影响,建立了一个考虑颗粒破碎的循环本构模型。通过对钙质砂的单调和循环三轴试验结果的模拟初步验证了所提出本构模型的合理性。     

侧限条件下钙质砂压缩和破碎特性试验研究

对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行了不同终止压力下的侧限压缩试验,指出钙质砂在侧限条件下的压缩特性与粘土类似,其原因是钙质砂在常压力作用下发生了颗粒破碎。同时,对所有试样在试验前后进行了颗粒大小分析试验,并用Hardin模型对其破碎进行了度量。     

循环三轴应力路径下钙质砂颗粒破碎演化规律

钙质砂广泛分布于中国南海区域,是吹填造陆的重要材料。钙质砂颗粒容易破碎,使得其力学特性相比于普通的陆源硅质砂有显著差异。对取自中国南海西沙群岛某岛礁的钙质砂开展了三轴排水循环剪切试验,研究了围压、循环应力比、循环振次对钙质砂颗粒破碎发展过程的影响。在试验所采用的围压范围内,钙质砂在固结过程中产生的颗粒破碎较少,但是在随后的循环剪切过程中产生了显著的颗粒破碎。在循环剪切作用下,钙质砂的颗粒破碎形式主要是尖角的磨损,剪切后试样的颗粒中出现了一些碎屑和微细颗粒,大颗粒的棱角有一定程度的磨圆,但粒径无明显减小。在常围压下的等幅循环剪切中,颗粒破碎程度随着循环剪切次数的增大而增加,增长速率逐渐降低,可以采用对数曲线来描述相对破碎指数的发展过程。再考虑围压和循环应力比的影响规律,初步建立了一个描述颗粒破碎演化过程的数学模型。     

钙质砂宏观力学变形特征及颗粒破碎研究进展

由于特殊的历史成因及海洋发育环境,钙质砂颗粒形状极不规则且内部孔隙发育,在外部荷载下易发生颗粒破碎,表现出与陆源硅质砂迥异的力学变形特征。钙质砂自20世纪60年代不断地引起工程问题进入人们的视野后,学术界与工程界开展了广泛的研究。首先介绍了钙质砂的研究背景,而后从钙质砂的单颗粒及宏观力学变形特征方面对国内外的研究现状进行总结,并针对受力过程中钙质砂的颗粒破碎综述,包括颗粒破碎的度量、颗粒破碎的试验研究、颗粒破碎的能量分析等,最终结合离散元软件PFC在散粒介质中的应用进行回顾总结与展望。     

围压对钙质砂变形特征和声发射模式的影响

考虑钙质砂的颗粒破碎与滑移两种变形机制的耦合作用，并分别采用损伤模型和边界面模型予以描述，计算发现，围压增加使声发射活动增强，最后从微观上分析了围压对钙质砂声发射活动规律的影响。     

南海钙质砂的动剪切模量与阻尼比试验研究

岩土体的动剪切模量和阻尼比是土工建筑物、近海场地动力稳定性分析中的主要动力学参数,为评价南海钙质砂的动力学特性,利用美国GCTS共振柱测试系统,对取自南海地区的钙质砂进行共振柱试验,研究固结压力、相对密实度对其动剪切模量和阻尼比的影响,并与石英砂进行对比分析。研究发现:相同的试验条件下,钙质砂的最大动剪切模量、阻尼比均大于石英砂;从总体而言,钙质砂的动剪切模量在剪应变小于0.1%时大于石英砂动剪切模量,在大于0.1%时两者趋于一致,其动剪切模量比G/Gmax随剪应变γ衰减的速度快于石英砂。根据试验结果建立钙质砂动剪切模量比G/Gmax、阻尼比D的数学模型,并结合现有的钙质砂动剪切模量比及阻尼比研究成果,给出钙质砂动剪切模量比和阻尼比的变化范围,为钙质砂场地工程建设中建筑物动力稳定性分析提供依据。     

珊瑚礁钙质沉积物液化特性及其机理研究

针对南沙群岛永暑礁小澙湖珊瑚礁沉积物-钙质砂土的多孔隙及颗粒破碎特点,利用现场原位扁铲侧胀试验和室内动静三轴-扭剪试验手段,开展不同条件下钙质砂土的液化特性分析。试验结果表明,在7度地震烈度下浅海钙质砂土会发生液化;在波浪荷载作用下,饱和钙质砂土峰值孔压随振动次数的增加可分为抛物线型增长、线性增长、指数型增长和稳定状态等四个阶段,而每一阶段均对应有钙质砂颗粒间孔隙和内孔隙的不断调整和破碎过程;在均压固结条件下其液化机理归结为流滑破坏。     

Macro-meso effects of gradation and particle morphology on the compressibility characteristics of calcareous sand

In order to fully develop the South China Sea, a large number of reclamation projects using calcareous sand have been carried out in this area recently. A deep understanding of the physical and mechanical properties of calcareous sand is of critical importance. Therefore, the calcareous sand near a certain reef of the South China Sea is used in this study to investigate the effect of three-dimensional (3-D) particle morphology and gradation on the compressibility characteristics of calcareous sand. This paper proposes a 3-D mesoscope observation method to obtain the average 3-D angularity parameter S _d and 3-D aspect ratio T _d of calcareous sand with different particle sizes. It is found that the morphology of coarse particles (diameter: 5 ~ 1 mm) is significantly multi-angular, while the morphologies of middle particles (1 ~ 0.25 mm) are mostly dendritic and schistic. Compared to the 3-D S _d of quartz sand, the calcareous sand’s particle morphology is much more irregular and multi-angular, which makes it easy for the calcareous sand to form large pores and, thus, be more compressible. In order to systematically study the effect of gradation on the calcareous sand’s compressibility characteristics, a number of compression tests on calcareous sand with different gradations are taken. The influential mechanism is then discussed by analyzing the test results from a mesoscopic viewpoint. It is found that changing the coarse fraction content is the most efficient way to reduce the compressibility of the calcareous sand. That is because of the coarse fraction’s high angularity, which makes the skeleton-bearing capacity of the calcareous sand sensitive to the change of coarse fraction content. An empirical formula is proposed to evaluate the compressibility of the calcareous sand with different coarse fraction contents.     

钙质砂热传导性能试验

基于热针法测得了不同条件下南海钙质砂的热传导性能,探讨了含水率、干密度、温度、颗粒粒径等因素对钙质砂热导率的影响。研究结果表明：钙质砂热导率随含水率、干密度的增大而增大,且含水率越大,干密度对热导率的影响越明显;相对于随干密度的变化,钙质砂热导率随含水率的变化尤为显著;钙质砂热导率随温度升高而增大,但是热导率在不同温度下随含水率的增长趋势不同;颗粒粒径对钙质砂热导率的影响甚微;在钙质砂中掺入一定量石英砂有助于改善其导热性能。     

微生物温控加固钙质砂动强度特性研究

利用微生物温控加固技术对南海某岛钙质砂进行了MICP加固砂柱试验,并通过循环三轴试验开展了MICP加固钙质砂的动强度特性试验研究,探讨了不同MICP加固程度、相对密实度以及有效围压对钙质砂动强度与液化特性的影响.研究发现,经过MICP加固后松散钙质砂的动力液化特性由"流滑"逐渐演变为"循环活动性";相较于未加固中密砂试...     

One-dimensional dynamic compressive behavior of dry calcareous sand at high strain rates

Calcareous sand has distinct characteristics in comparison with silica sand, such as dynamic behavior at high strain rates (HSRs). This is closely related to pile driving, aircraft wheel loading and mining activities. To understand the response of calcareous sand at HSRs, a series of dynamic tests is performed using the split Hopkinson pressure bar (SHPB) with steel sleeve, including 6 validation tests of bar-against-bar and 16 comparative tests relevant to the relative density and strain rate of calcareous and silica sands. The apparent dynamic stiffness of calcareous sand is approximately 10% of that for silica sand due to different particle shapes and mineral compositions. The axial stress-strain response of silica sand is mainly governed by the deformation of individual grain and soil skeleton, and particle crushing. However, porous calcareous sand shows yielding and strain-hardening responses that are always followed by particle crushing. As the applied loading increases, the particle crushing of calcareous sand develops from local instability to whole breakage. Calcareous sand has lower viscous flow effects compared with silica sand at HSRs.     

钙质砂剪切特性试验研究

 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下的三轴排水剪切试验,试验结果表明,钙质砂在三轴剪切试验中的应力–应变关系随围压而发生变化,在低压时与普通陆源砂相近,而在中、高围压时表现出陆源砂高围压时的力学性质。在剪切过程中由于颗粒破碎导致封闭的内孔隙释放,体积应变要比石英砂大得多,剪切过程中发生的变形几乎全为不可恢复的塑性变形,其剪胀性与峰值应力比与围压密切相关,峰值应力比与剪胀性随着围压的升高而下降。     

考虑颗粒破碎影响的珊瑚砂临界状态与本构模型研究

临界状态是土力学中一个非常重要的概念,是许多土体本构模型建立的基础。对于珊瑚砂,由于显著的颗粒破碎,其变形特性和临界状态值得深入探讨。通过不同密度和不同围压组合的一系列三轴试验,研究了颗粒破碎对土体变形特性和临界状态的影响,建立了考虑颗粒破碎影响的珊瑚砂临界状态数学表达式,并将其引入砂土状态相关剪胀方程,提出了考虑颗粒破碎影响的珊瑚砂状态相关剪胀方程和本构模型。该模型仅采用一套模型参数就能较好地反映珊瑚砂在不同密度、不同围压条件下的应力变形特性,并且可以考虑珊瑚砂的颗粒破碎特性。