水力吹填钙质砂土颗粒咬合与破碎的宏细观特征及其对变形破坏影响机理

The artificial land area in the South China Sea is formed by hydraulic reclamation with the different particle size and shape coral debris. The special compositions of the hydraulic filled calcareous sands make the particle inter-locking and breaking effect and significant influence on the deformation and failure during the load process. Investigation of this project in the field of material distribution sedimentary laws, hydraulic fill composition and structural characteristics of calcareous sands on the study of mechanical behavior of calcareous sand reclamation, using CT scanning, bending element and acoustic emission probe test for the internal structure, shear wave velocity and acoustic emission signal in real-time detection, analysis and control changes of calcareous sands at various loading stages of macro and meso parameters; at the same time to carry out single particle crush, break and cut the crushing and inter particle friction slip - broken mesoscopic physical mechanical properties and acoustic emission characteristics research, clarify the signal characteristic difference of particle breakage and slippage between particles of acoustic emission; particle occlusion then grasp and reveal the calcareous sands stress in different stages and broken development and the role of law and mechanism of deformation and failure of the building can be admitted A constitutive relation model considering the mechanical behavior of calcareous sand under the action of complex loads is provided, which provides theoretical basis and technical support for coral reef engineering construction in the South China Sea.

我国南海岛礁建设中的人工陆域由粗细混杂形状各异的珊瑚碎屑在水力吹填作用下形成。水力吹填钙质砂土的特殊组构使其受力过程中颗粒间咬合与破碎作用显著，并对变形与破坏起决定性影响。本项目在现场水力吹填钙质砂土的分布沉积规律、物质组成与结构特点的调查基础上，开展吹填钙质砂土的力学行为特性研究，利用CT扫描、弯曲元与声发射探头对试样内部组构、剪切波速与声发射信号进行实时检测，分析与掌握钙质砂土不同加载阶段的宏细观参数指标的变化规律；同时开展单颗粒压碎、折断与剪破等破碎方式以及颗粒间摩擦滑移-破碎的细观物理力学特性与声发射信号特征研究，厘清颗粒破碎与颗粒间滑移的声发射信号差异特征；进而掌握并揭示钙质砂土受力不同阶段的颗粒咬合与破碎的发展与作用规律及其对变形破坏的影响机理，建立能考虑复杂荷载作用下钙质砂咬合与颗粒破碎力学行为的本构关系模型，为南海地区珊瑚礁工程建设提供理论依据和技术支持。

随着南海海洋资源的开发，南海珊瑚礁吹填造岛过程中形成了具有特殊组构的吹填钙质砂土，目前针对水力吹填形成珊瑚钙质砂土的特殊组构及力学特性、加载变形破坏过程中颗粒咬合与破碎的宏细观特征规律及其对变形破坏机理与规律尚未揭示，相关理论模型也未建立。针对此问题，本项目围绕着钙质土中颗粒咬合与破碎的宏细观特及其变形与破坏的影响机理与规律，重点开展了现场与室内的调查测试、试验分析，以及理论模型建立和实验验证等研究工作。成功开展了钙质砂砾单颗粒的表面形貌三维扫描、强度测试和分析以及钙质土体的强度特征试验研究，发展了一种新的岩土颗粒三维形貌测量和分析方法，建立了南海珊瑚礁块表面形貌参数数据集，并建立了钙质砂颗粒强度与颗粒尺寸、时间率的关系以及考虑破碎损伤的钙质土体强度模型；改造了一维压缩固结试验装置，使其可采集珊瑚钙质土体压缩过程中的声发射信号，以此研究了珊瑚钙质土体在加载过程中的强度和变形特性以及变化规律；设计、加工了可实现钙质砂加载过程X-CT扫描的一维压缩固结系统以及钙质砂颗粒加载破裂实验装置，利用其开展了珊瑚礁碎石颗粒的X-CT扫描压缩试验，以及钙质砂颗粒强度特征和声发射监测颗粒破坏过程研究；利用自主设计的适用于X-CT扫描设备的土体试样固结试验系统，开展了系列钙质砂的固结压缩试验，研究钙质砂在一维压缩固结过程中的组构变化规律；开展了不同应力路径的三轴剪切试验，研究了应力路径对钙质砂强度和变形特性的影响，并进一步分析了颗粒破碎损伤对珊瑚钙质土体特性的影响；开展了钙质砂颗粒的X-CT扫描和纳米压痕试验测试，研究钙质砂的微细观结构和力学特性。研究出成果可指导我国南海岛礁工程建设以及“海上丝绸之路”沿线国家基础设施建设提供理论依据与技术支持。