直剪剪切速率对钙质砂强度及变形特征的影响试验研究

论文摘要

钙质砂是一种由珊瑚、海藻、贝壳等海洋类生物经过一系列外界因素构成的特殊岩土介质。钙质砂具有易破碎、多棱角、多内孔隙等特殊的物理特性,其工程力学特性也与普通陆源砂有所区别,广泛分布在我过南海海域。随着我国南海岛礁工程建筑逐步开展,岛礁区工程建设越来越多,其建设之规模越来越大,将来面临的工程问题也越来越复杂,钙质砂作为重要的建筑物地基材料,如对钙质砂的的物理力学性质认知模糊,可能会造成工程事故的发生和一定的资源浪费,因此对钙质砂进行率效应的力学研究,进一步发展与完善钙质砂的力学性质,指导南海海域实际工程设计与施工,对南海资源开采和旅游业开发,都具有重要的理论价值和实际的工程意义。本文以我国南海某珊瑚岛礁附近钙质砂为主要研究对象,在探明其基本物理和化学性质的基础上,采用室内直剪试验和离散元数值模拟等方法,探讨钙质干砂在不同剪切速率和不同法向应力的条件下,对钙质砂强度和变形的特征影响。主要内容如下:(1)对南海钙质砂试样进行初步物理性质分析,主要对钙质砂进行了颗粒分析试验、比重试验、电镜扫描试验,探讨钙质砂基本物理特性。(2)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,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1.6mm/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,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由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。(3)基于开源离散元分析软件Particle Flow Code(PFC),从钙质砂颗粒基本形貌、力学特征出发,以室内试验为基础利用离散元程序构建了钙质砂颗粒数学模型,并以此为基础,编写了钙质砂直接剪切试验的离散元计算程序,并通过与室内试验结果进行对比验证表明了该计算程序的正确性与合理性。在上述基础上,开展了不同轴向压力以及不同剪切速率条件下的钙质砂直剪试验数值计算,结合室内试验结果与数值试验所获取的微观变量演化过程和形态进行率效应细观机制讨论,结果表明钙质砂在较低压力条件下,试样内部颗粒破碎不显著,率效应较弱,在较高应力水平条件下,钙质砂临界速率特征主要由颗粒破碎引起。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 柴维

导师: 龙志林

关键词: 钙质砂,直剪试验,加载速率效应,离散元

来源: 湘潭大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 湘潭大学

分类号: P75

DOI: 10.27426/d.cnki.gxtdu.2019.001381

总页数: 74

文件大小: 6242K

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