钙质砂颗粒破碎弹塑性损伤本构模型构建及验证

• 作 者: 江一博
• 出 处: 湘潭大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 钙质砂 三轴剪切 颗粒破碎 二次剪切 损伤本构

随着全球经济的快速发展,各国对于资源的需求量日益增加,对于陆地资源的勘探和开发已经日趋紧张,特别是我国虽然陆地疆域辽阔,但人均资源拥有量一直处于世界落后水平,而南海作为我国最大、最深的海,蕴藏着丰富的资源且国防地位突出。从“六五”计划开始,我国学者就致力于南海岛礁的研究,而在对于南海岛礁的研究中,不可避免的要面临钙质砂地质的问题。钙质砂是一种海洋生物成因、碳酸钙含量大于50%的特殊岩土介质,由于其碳酸钙含量较高,导致钙质砂颗粒强度较一般陆源砂(石英砂等)颗粒强度要低很多,其颗粒间的孔隙也比较大,从而使得钙质砂颗粒在处于较低应力情况下时就会发生颗粒破碎的现象。当颗粒发生破碎现象后,钙质砂的抗压及抗剪强度就会发生明显的下降,导致在工程实践中发生各种因钙质砂颗粒强度变化而引起的裂缝、坍塌、桩基承载力不足等工程问题。因此,如何有效地模拟钙质砂地质在受到较大应力时其强度的变化,为南海岛礁在开发和利用过程中提供较为科学的地质承载力参考,消除钙质砂颗粒破碎带来的工程危害就成了对南海海域进行开发所必须解决的重要课题,基于这一背景,论文开展了如下主要工作:(1)针对钙质砂在载荷条件下会发生颗粒破碎的特点,对混合粒径钙质砂试样开展了物理特征和不同围压情况下(200k Pa、400k Pa、800k Pa、1200k Pa、1600k Pa)的三轴固结排水剪切试验,获得了钙质砂在低围压与高围压应力情况下的应力-应变特征,并得到了相关物理特征与力学性质参数。(2)通过对不同围压三轴剪切后的钙质砂试样进行筛分,得到了钙质砂剪切破碎后不同粒径组的含量,绘制出相关级配曲线,并参考前人对粒状材料破碎程度的度量方法,对钙质砂剪切破坏后的颗粒破碎程度进行计算。最后通过控制变量,探讨了矿物成分、粒径、应力水平及级配对钙质砂颗粒破碎的影响。(3)在保证相对密实度一致的情况下,将进行过第一次三轴剪切试验的钙质砂试样进行相同的二次剪切,得到了二次剪切的应力-应变曲线,并基于损伤理论,对两次剪切试验的应力-应变表现进行了研究,得到了能反映钙质砂颗粒破碎损伤规律的钙质砂损伤演化函数,为建立考虑破碎损伤的钙质砂本构模型提供基础。(4)基于上下负荷面本构模型中灵敏度的定义,通过实际物理意义之间的联系,将损伤演化函数嵌入到上下负荷面本构模型中,建立了一种能考虑钙质砂颗粒破碎损伤的弹塑性本构模型,通过对钙质砂试样的剪切试验模拟表明,该模型能较好的表征钙质砂的颗粒破碎损伤特性,并通过室内承载板试验的模拟,比较了该模型与经典摩尔库仑模型在承载力计算方面的差别,进一步验证了模型的准确性。