本文關(guān)鍵詞：鈣質(zhì)砂宏細(xì)觀力學(xué)特性試驗(yàn)及離散元模擬，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：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(yàn)研究。試驗(yàn)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(duì)鈣質(zhì)砂宏細(xì)觀破碎力學(xué)特性做了試驗(yàn)探究,具體的內(nèi)容和結(jié)論如下：1.使用電子顯微鏡(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(duì)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(gè)參數(shù),對(duì)鈣質(zhì)砂顆粒形狀進(jìn)行量化分析。通過比對(duì)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(duì)光滑；而中間粒徑的鈣質(zhì)砂顆粒形狀較不規(guī)則,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(dòng)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(duì)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(yàn)：一維壓縮試驗(yàn)、直剪試驗(yàn),并重點(diǎn)開展了不同應(yīng)力水平的三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)。通過進(jìn)行不同圍壓下的三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)、以及試驗(yàn)前后的顆粒級(jí)配的量測(cè)對(duì)比,并使用Hardin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(duì)于能量耗散的分析,研究了顆粒破碎對(duì)鈣質(zhì)砂變形、強(qiáng)度、能量耗散等特性的影響。試驗(yàn)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(jí)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(shì)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(shí)考慮剪切摩擦、體積耗散兩種情況下,計(jì)算得到的最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(duì)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(duì)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(huì)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)砂三軸試驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)是一致的。同時(shí),模擬的顆粒單位時(shí)間位移增量顯示,顆粒破碎主要發(fā)生在土體試樣中部沿60°的一個(gè)局部區(qū)域內(nèi)。
【關(guān)鍵詞】：鈣質(zhì)砂 顆粒形態(tài) 三軸試驗(yàn) 顆粒破碎 剪脹 能量耗散 離散元 三維分析
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TU45
【目錄】：

• 致謝5-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-13
• 1 緒論13-26
• 1.1 研究背景13-17
• 1.1.1 鈣質(zhì)砂材料介紹13-14
• 1.1.2 中國南海珊瑚礁地質(zhì)沉積介紹14-17
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)17-23
• 1.2.1 鈣質(zhì)砂物理力學(xué)性質(zhì)研究進(jìn)展18-20
• 1.2.2 土體顆粒破碎理論和離散元模擬的研究進(jìn)展20-23
• 1.3 本文的研究目的和主要內(nèi)容23-26
• 1.3.1 研究目的23-24
• 1.3.2 研究內(nèi)容24-26
• 2 鈣質(zhì)砂細(xì)觀物理特征的試驗(yàn)研究26-44
• 2.1 引言26-27
• 2.2 細(xì)觀試驗(yàn)內(nèi)容27-37
• 2.2.1 試樣介紹27-29
• 2.2.2 試驗(yàn)儀器29-30
• 2.2.3 試樣制備30-33
• 2.2.4 圖像處理33-35
• 2.2.5 參數(shù)選取35-37
• 2.3 試樣細(xì)觀試驗(yàn)結(jié)果分析37-43
• 2.3.1 鈣質(zhì)砂顆粒形狀的定量描述37-41
• 2.3.2 鈣質(zhì)砂顆粒生物成因辨別與初探41-43
• 2.4 本章小結(jié)43-44
• 3 鈣質(zhì)砂宏觀力學(xué)特性試驗(yàn)44-71
• 3.1 引言44
• 3.2 一維壓縮試驗(yàn)44-47
• 3.2.1 試驗(yàn)儀器44
• 3.2.2 試驗(yàn)內(nèi)容44-46
• 3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果46-47
• 3.3 直剪試驗(yàn)47-50
• 3.3.1 試驗(yàn)儀器47
• 3.3.2 試驗(yàn)內(nèi)容47-48
• 3.3.3 試驗(yàn)結(jié)果48-50
• 3.4 三軸固結(jié)排水試驗(yàn)50-61
• 3.4.1 試樣介紹50-51
• 3.4.2 試驗(yàn)儀器51-53
• 3.4.3 試樣制備53-55
• 3.4.4 試驗(yàn)過程55-56
• 3.4.5 試驗(yàn)結(jié)果56-61
• 3.5 顆粒破碎導(dǎo)致的顆分演化規(guī)律分析61-65
• 3.5.1 顆分曲線的演化61-63
• 3.5.2 顆粒破碎的度量63-65
• 3.6 顆粒破碎能量耗散特性65-69
• 3.6.1 原始劍橋模型和修正劍橋模型中定義的耗散能65-66
• 3.6.2 顆粒破碎耗散66-69
• 3.7 本章小結(jié)69-71
• 4 試樣顆粒破碎的離散元初步分析71-95
• 4.1 離散元法DEM介紹71-72
• 4.2 離散元軟件YADE概況72-74
• 4.3 YADE計(jì)算原理74-78
• 4.3.1 應(yīng)變計(jì)算74-77
• 4.3.2 應(yīng)力計(jì)算77-78
• 4.4 三軸模型簡介78-85
• 4.4.1 膠結(jié)接觸模型簡介79-81
• 4.4.2 模擬試樣參數(shù)及制備81-85
• 4.5 數(shù)值模擬結(jié)果分析85-93
• 4.5.1 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系85-87
• 4.5.2 顆粒單位時(shí)間位移增量圖87-90
• 4.5.3 顆粒力鏈圖90-93
• 4.6 本章小節(jié)93-95
• 5 結(jié)論和展望95-98
• 5.1 結(jié)論95-96
• 5.2 進(jìn)一步工作展望96-98
• 參考文獻(xiàn)98-105
• 作者簡介及科研成果105

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本文編號(hào)：443813