钙质砂宏细观力学特性试验及离散元模拟

发布时间：2017-06-12 10:07

  本文关键词：钙质砂宏细观力学特性试验及离散元模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：钙质砂广泛分布于纬度较低的海域,如我国南海海域,是一种碳酸钙含量50%以上、海洋生物成因的、颗粒形状不规则的粒状材料,在高应力水平作用下容易产生颗粒破碎现象。基于钙质砂这一特殊的砂土材料,国内外相关领域学者相继开展了大量试验研究。试验结果表明,颗粒破碎是影响钙质砂物理力学性质的主要因素。本文基于取自我国西沙群岛永乐环礁晋卿岛的钙质砂样本,做了以下三方面工作,对钙质砂宏细观破碎力学特性做了试验探究,具体的内容和结论如下：1.使用电子显微镜(SEM)获取不同粒径组钙质砂颗粒的几何投影图像,利用图像处理软件ImageJ对图形进行像素处理,获取单元颗粒形状轮廓边界,定义圆度、环径比、磨圆度以及粗糙度4个参数,对钙质砂颗粒形状进行量化分析。通过比对大粒径(粒径大于2 mm)、中间粒径(粒径介于0.5 mm-2 mm之间)和小粒径(粒径小于0.5 mm)钙质砂形状微观图像分析结果,发现大、小粒径钙质砂形态更接近圆形、颗粒表面相对光滑；而中间粒径的钙质砂颗粒形状较不规则,表面棱角较多。这可能是由于中间粒径砂镶嵌于大、小粒径钙质砂之间,在搬运、侵蚀以及移动过程中发生较少磨损和破碎,而保持了较好的原状性。另外,对钙质砂颗粒在电镜扫描下的图形样本进行分析,辨别和探究了钙质砂生物成因的颗粒。2.基于钙质砂样本开展了一系列室内宏观力学试验：一维压缩试验、直剪试验,并重点开展了不同应力水平的三轴固结排水剪切试验。通过进行不同围压下的三轴固结排水剪切试验、以及试验前后的颗粒级配的量测对比,并使用Hardin破碎理论定量描述了剪切过程中的颗粒破碎程度。参考剑桥模型和修正剑桥模型中对于能量耗散的分析,研究了颗粒破碎对钙质砂变形、强度、能量耗散等特性的影响。试验发现钙质砂在三轴排水剪切过程中发生颗粒破碎,试样向着级配更加均匀的方向发展。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=600kPa)剪切过程中,仅考虑剪切摩擦耗散,以及同时考虑剪切摩擦、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%。3.基于开源离散元分析软件YADE对钙质砂颗粒破碎特性从细观方面进行探究。建立三维数值模型,采用簇粒模拟可以破碎的钙质砂颗粒,采用同等直径的刚性颗粒模拟不可破碎的一般颗粒,对比两种颗粒模型在三轴条件下的应力应变关系。模拟结果揭示颗粒破碎会降低试样的整体抗剪强度,增加剪切初期的剪缩体变,抑制剪切后期的剪胀体变,以上效应在高围压下更加明显。这些模拟结果和本研究开展的钙质砂三轴试验结果的趋势是一致的。同时,模拟的颗粒单位时间位移增量显示,颗粒破碎主要发生在土体试样中部沿60°的一个局部区域内。
【关键词】：钙质砂 颗粒形态 三轴试验 颗粒破碎 剪胀 能量耗散 离散元 三维分析
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-13
• 1 绪论13-26
• 1.1 研究背景13-17
• 1.1.1 钙质砂材料介绍13-14
• 1.1.2 中国南海珊瑚礁地质沉积介绍14-17
• 1.2 国内外研究现状及发展动态17-23
• 1.2.1 钙质砂物理力学性质研究进展18-20
• 1.2.2 土体颗粒破碎理论和离散元模拟的研究进展20-23
• 1.3 本文的研究目的和主要内容23-26
• 1.3.1 研究目的23-24
• 1.3.2 研究内容24-26
• 2 钙质砂细观物理特征的试验研究26-44
• 2.1 引言26-27
• 2.2 细观试验内容27-37
• 2.2.1 试样介绍27-29
• 2.2.2 试验仪器29-30
• 2.2.3 试样制备30-33
• 2.2.4 图像处理33-35
• 2.2.5 参数选取35-37
• 2.3 试样细观试验结果分析37-43
• 2.3.1 钙质砂颗粒形状的定量描述37-41
• 2.3.2 钙质砂颗粒生物成因辨别与初探41-43
• 2.4 本章小结43-44
• 3 钙质砂宏观力学特性试验44-71
• 3.1 引言44
• 3.2 一维压缩试验44-47
• 3.2.1 试验仪器44
• 3.2.2 试验内容44-46
• 3.2.3 试验结果46-47
• 3.3 直剪试验47-50
• 3.3.1 试验仪器47
• 3.3.2 试验内容47-48
• 3.3.3 试验结果48-50
• 3.4 三轴固结排水试验50-61
• 3.4.1 试样介绍50-51
• 3.4.2 试验仪器51-53
• 3.4.3 试样制备53-55
• 3.4.4 试验过程55-56
• 3.4.5 试验结果56-61
• 3.5 颗粒破碎导致的颗分演化规律分析61-65
• 3.5.1 颗分曲线的演化61-63
• 3.5.2 颗粒破碎的度量63-65
• 3.6 颗粒破碎能量耗散特性65-69
• 3.6.1 原始剑桥模型和修正剑桥模型中定义的耗散能65-66
• 3.6.2 颗粒破碎耗散66-69
• 3.7 本章小结69-71
• 4 试样颗粒破碎的离散元初步分析71-95
• 4.1 离散元法DEM介绍71-72
• 4.2 离散元软件YADE概况72-74
• 4.3 YADE计算原理74-78
• 4.3.1 应变计算74-77
• 4.3.2 应力计算77-78
• 4.4 三轴模型简介78-85
• 4.4.1 胶结接触模型简介79-81
• 4.4.2 模拟试样参数及制备81-85
• 4.5 数值模拟结果分析85-93
• 4.5.1 应力应变关系85-87
• 4.5.2 颗粒单位时间位移增量图87-90
• 4.5.3 颗粒力链图90-93
• 4.6 本章小节93-95
• 5 结论和展望95-98
• 5.1 结论95-96
• 5.2 进一步工作展望96-98
• 参考文献98-105
• 作者简介及科研成果105

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本文编号：443813