钙质砂冲击力学性能和变形机理的原位多尺度研究

Military and civilian structures are to be built on reef islands for the purposes of defense and rational exploitation of marine resources in South China Sea. As an important construction and foundation material, investigations on impact behavior of calcareous sands are highly desired for optimizing structural design and functionalities, but disproportionately rare due to the lack of dynamic loading and diagnostic techniques. To investigate dynamic mechanical properties of calcareous sands from an island in South China Sea, we perform impact experiments along with simultaneous multiscale measurements, as regards macroscopic mechanical properties, and deformation and breakage mechanisms. Effects of strain rate, particle size and gradations on the stress-strain curves and particle breakage will be explored with SHPB and postmortem laser-scattering analysis. Novel advanced diagnostics, including synchrotron computed tomography and in situ, dynamic x-ray phase contrast imaging, will be utilized for the first time to obtain 3D micro structures, to map dynamic strain fields, and to reveal particle breakage modes of calcareous sands. The mechanisms of pore collapse and effects of pores on the particle breakage modes will also be discussed. The results will supply new data and new insights for understanding the structure-loading-property relationships, and serve as the basis for developing physics-based, dynamic constitutive models for calcareous sands.

基于我国南海资源开发和国防防卫等战略需求，南海岛礁工程建设正在大力推进当中。钙质砂作为岛礁上重要的岩土介质和建筑材料，其冲击力学性能和机理研究对岛礁工程的结构设计和冲击防护有重要意义，但限于砂土冲击加载和原位表征技术的发展相关研究还较少。本项目针对南海岛礁钙质砂的冲击力学性能，采用多尺度实验、多手段联合表征的研究方法，旨在系统研究钙质砂冲击加载下的宏观力学性能和微观变形机理。利用SHPB结合激光回收分析，研究钙质砂的宏观应变率效应和颗粒尺寸效应，获取颗粒破碎演化方程。同时，首次将同步辐射CT和基于SHPB加载的动态XPCI技术引入钙质砂的冲击特性研究，以获取钙质砂的微结构、细观变形场和颗粒破碎模式，探讨孔洞坍塌机理及其对颗粒破碎模式的影响。宏观力学性能和微观变形机理相互印证，共同揭示钙质砂结构－加载－性能关系的多尺度特征，从而为构建钙质砂基于物理的动态本构模型提供实验基础。

钙质砂作为我国南海岛礁上最重要的建筑材料，其冲击力学响应对岛礁工程的冲击防护与结构设计有重要意义。近年来，有关钙质砂在分离式霍普金森杆（SHPB）加载下的力学性能研究已有一些报道，但限于岩土介质本身的复杂性以及原位表征技术的不完善，宏观力学性能研究还很不系统，微观变形机理研究则更少。本项目针对南海岛礁钙质砂的冲击力学响应，采用多尺度实验、多手段联合表征的研究思路，旨在系统研究钙质砂在冲击加载下的宏观力学性能和微观变形机理。首先基于国内外同步辐射光源发展了两项共性技术，即原位CT技术和动态原位X射线成像技术，并通过CT对钙质砂的初始形貌包括内部孔隙进行了三维表征，发现钙质砂颗粒具有棱角度高、孔隙率高等特点。其次，针对四种具有不同级配的钙质砂开展了动静态侧限压缩实验，发现钙质砂的屈服强度表现出显著的应变率和颗粒尺寸效应，其应变率敏感性指数在0.035左右；而随着平均粒径增加，钙质砂的屈服强度呈幂指数降低、可压缩性则呈幂指数上升。再次，结合激光粒度分析获取了钙质砂的颗粒尺寸分布随加载应力的演化过程，构建了颗粒破碎演化方程，发现颗粒破碎演化依赖于应变率和颗粒尺寸，并与压缩曲线趋势一致。最后，利用原位CT和动态原位X射线成像技术，获取了钙质砂在动静态压缩下的变形破碎机理以及动态侵彻下的弹丸与颗粒运动学信息。结果表明，钙质砂颗粒的初始孔隙会成为颗粒内部的裂纹源，孔隙率较高的颗粒更容易破碎，但接触数较多的颗粒通常被保护。在钙质砂体的动态压缩过程中，颗粒会发生平动和旋转以适应外部变形；在相同速度加载下小颗粒的运动速度相比大颗粒要大，原因是大颗粒之间互锁严重，颗粒破碎会主导大颗粒变形。本项目首次将同步辐射原位X射线诊断技术引入钙质砂的冲击响应研究，获取了大量关键性能数据和机理，为构建基于物理的钙质砂本构模型及其动态性能数据库提供了第一手实验资料，同时为复杂岩土介质的冲击响应提供了研究范式。