珊瑚礁砂混合体宏细观力学性能及尺度效应研究

The coral reef formation formed by the evolution of bio-sediments in the marine environment is characterized by significant anisotropy. 20m-thick-surface is an important infrastructure supporting layer, which are filled with unevenly distributed, porous and easily-breakable reef-sand mixture, leading to the performance parameters difficult to determine. Based on the acquired drilling cores and data of 200m strata of two artificial reclamation reefs, this study will build a typical shallow stratum structure model of coral reef. Combining with the techniques of non-destructive CT scan, particle image analysis and numerical modeling, the muti-scale shear and consolidation test of reef-sand mixture will be carried out, and its three-dimensional meso-structure model reconstruction and quantitative statistical analysis will be realized, while the effect law of reef gravel content, grading configuration and sample size on the macroscopic strength and deformation characteristics will be revealed. Taking advantage of the spatial distribution of the “reef gravel” within the reef sand foundation and its self-organizing characteristics of the granularity composition at the statistical level, a reconstruction model based on digital images will be generated, and the physical simulation results can be verified through computer numerical experiments. The macroscopic strength, deformation evolution mechanism and scale effect of coral reef-sand mixture bodies under external load can be revealed from the meso-angles of particle gradation composition, morphology features and crushing damages, etc. A method to determine the overall performance parameters like strength and deformation of coral reef-sand mixture bodied will be proposed, which can provide scientific and technical support for the reef project planning and design.

海洋环境下生物沉积演变形成的珊瑚岛礁地层具有显著各向异性，表层20m颗粒级配不均、内孔隙丰富，低压易破碎的礁砂混合体是基础设施重要持力层，其整体性能参数确定困难。本项目基于已有两个吹填岛礁200m地层岩芯与数据资料，构建典型岛礁浅地层结构模型；结合无损CT扫描、颗粒图像分析和数值模拟技术，开展礁砂混合体多尺度剪切、固结试验，实现礁砂混合体试样的三维细观结构模型重建与定量统计分析，揭示礁碎石含量、级配组构、试样尺度等对其宏观强度与变形特性的影响规律；利用礁砂地基内部“礁碎石”的空间分布及粒度组成在统计层次上的自组织性特点，基于数字图像生成重建模型，通过计算机数值试验验证拓展物理模拟结果，从颗粒级配组成、形态特征、破碎损伤等细观角度揭示珊瑚礁砂混合体在外部荷载作用下的宏观强度、变形演化机制及其尺度效应，提出一套珊瑚礁砂混合体强度变形整体性能参数的确定方法，为岛礁工程规划、设计提供科技支撑。

在南海开发的发展中，桥梁、岛礁等基础设施的建设需求日益增加。考虑到经济成本，能够就地取材且分布广泛的珊瑚砂砾开始作为主要的地基承载物。与石英砂等常规陆源砂进行对比，珊瑚砂砾具体形状不规则，内孔隙丰富和低压易破碎的特点，这些特点极大地影响了珊瑚砂砾的力学特性。结合工程上的运用，本项目对珊瑚砂砾进行了大量的室内试验与数值模拟。利用测试系统PartAn3D，对珊瑚砂砾的形貌特征进行了定量分析，从形貌参数上区分了块、片、棒、枝四类不同珊瑚砂砾，并分析了这四类珊瑚砂砾的抗剪切能力。设计了地基承载的模型实验，探究了在不同荷载形式下，地基承载力的影响因素和压力分布情况。将珊瑚砂砾的尺寸效应考虑在内，研究了三轴实验中尺寸效应对试样力学特性的影响。对比了直剪试验和单剪实验，分析了在单剪实验中粒径效应、含水率和密实度对试样变形和强度的影响。研究了珊瑚砂砾在振动压实过程中的颗粒破碎及形状演化规律。利用X-CT设备对珊瑚砂砾单颗粒进行扫描，分析了四种类型珊瑚砂砾中内孔隙的分布，并与分形参数建立了联系。根据珊瑚砂砾的二维形貌特征，通过傅立叶手段对珊瑚砂砾进行颗粒虚拟重构，并与离散元方法进行耦合，在数值模拟软件中分析了形貌特征对于宏观与微观力学特性的影响。.针对珊瑚砂砾的地质特征，在传统实验的基础上，结合PartAn3D和X-CT设备，对单颗粒的微观特性进行了研究，将微观特征与式样的宏观力学特性建立了桥梁，取得了一系列创新的理论成果。这些理论成果受到高度认可和积极评价,为我国珊瑚礁砂地基处理方法优化和效果评价等提供了科学理论支持。下一步项目组将对珊瑚砂砾的特性进行进一步研究，让珊瑚砂砾微观与宏观力学特性之间建立更加清晰明了的关系，为国家珊瑚岛礁基础设施建设提供更好的科技支撑。