中高应变率下钙质砂的动态特性及细观机理研究

The South China Sea is covered by thick natural and/or filled calcareous sand, which has individual mechanical characteristics compared with general terrestrial and marine sediments because of its porous, irregular and crushable particles. With the development of the South China Sea, it is urgent for civil engineering, explosion prevention and earthquake mitigation in the calcareous sand area. Therefore, it is meaningful and potentially useful to investigate the dynamic behavior of calcareous sand at medium-high strain rates. The following studies and corresponding methodologies are included: (1) the macroscopic stress-strain behavior of calcareous sand particles and samples is obtained by carrying out quasi-static tests and revealed by the mesoscale grain state; (2) the impact behaviors and mesoscale mechanism of calcareous sand such as rate-dependent and particle crushing are investigated by conducting impact tests under positive and passive confining pressures, establishing the dynamic constitutive model for calcareous sand; (3) the theoretical solutions for estimating the residual strength and cumulative deformation of calcareous sand foundation are presented by carrying out the repeated impact model tests, clarifying the mechanism of voids in calcareous sand under airport runway; (4) the derived dynamic constitutive model and theoretical solution are numerically developed, which can be directly used in design. This research will provide theoretical and technical principles for construction and protection of the geotechnical engineering on island reefs.

我国南海遍布着深厚的原状或吹填钙质砂，由于颗粒多孔隙、形状不规则、易破碎，其力学性质与一般陆相、海相沉积物相比有明显差异。随着我国对南海的开发利用，钙质砂区域的工程建设、爆炸防护和地震灾害预防等问题亟待解决。鉴于此，开展中高应变率下钙质砂的动态特性研究具有十分重要的理论意义和工程应用价值。项目拟开展以下主要研究：通过开展钙质砂颗粒和试样的准静态试验，建立宏观应力-应变特性与细观颗粒状态间的映射关系；通过开展主、被动围压下钙质砂的冲击试验，揭示钙质砂的应变率效应和颗粒破碎等冲击特性及细观机理，建立钙质砂的动态本构模型；通过开展钙质砂地基的重复冲击模型试验，建立钙质砂地基残余强度与累积变形的计算方法，明确机场道面下钙质砂地基脱空原理；将所建立的动态本构模型和理论计算方法进行数值开发，得到可以直接用于工程设计的数值计算方法。本项目的研究将为岛礁开发建设和工程防护提供理论依据和技术参考。

我国南海遍布着深厚的原状或吹填钙质砂，由于颗粒多孔隙、形状不规则、易破碎，其力学性质与一般陆相、海相沉积物相比有明显差异。项目针对钙质砂区域的工程建设、爆炸防护和地震灾害预防等问题，开展了中高应变率下钙质砂的动态特性研究。.主要研究内容和结论有：（1）通过三维激光扫描和电子显微镜技术重构了钙质砂颗粒的外部形态并建立了颗粒形态数据库，通过X-µCT和矿物分析揭示了颗粒内孔隙的成因和分布特点并量化了钙质砂的内孔隙；（2）开展了不同形状钙质砂颗粒的准静态压缩试验、落锤冲击试验和离散元数值模拟，揭示了钙质砂颗粒的强度特征、破碎机理及应变率效应，阐明了颗粒内孔隙率和孔隙大小的影响；（3）基于钙质砂细观配位数和宏观相对密实度的关系建立了砂土宏细观力学特性的映射关系，解释了钙质砂常规应力状态下的蠕变机理和冲击荷载下的颗粒破碎特性；（4）形成了一套规范的低阻抗、散体材料SHPB冲击试验技术，建立了钙质砂中应力波传播衰减的无量纲表达，分析了波衰减与初始孔隙比和含水率之间的关系；（5）基于SHPB试验揭示了冲击荷载下钙质砂的一维应力-应变特性，阐明了钙质砂冲击特性与陆源石英砂的主要差异及细观原因；（6）对比钙质砂的蠕变、准静态压缩和冲击特性，明确了钙质砂的应变率效应，发现表观的应变率效应是颗粒惯性效应与试验排水、排气边界耦合作用的结果；（7）得到表征钙质砂应变率效应的粘塑性帽盖模型，提出参数的获取和标定方法；（8）以钙质砂地下库爆炸响应为例，揭示了爆炸波在钙质砂中的传播及在结构上的作用；（9）以海洋大直径桩动力测试问题为例，基于理论研究提出海洋大直径桩冲击测试理论和计算方法。.综上所述，项目系统地揭示了中高应变率下钙质砂的动力特性和细观机理，不仅阐明了钙质砂的基础物理和冲击力学特性，还丰富了土体应变率效应研究思路和方法，为应变率相关的钙质砂工程问题提供依据，具有十分重要的理论意义和工程应用价值。