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1、0基于 CT扫描的钙质砂颗粒破碎研究汇报人：汪轶群 2014/1/71 钙质砂（Calcareous Sand）：是指富含碳酸钙或其他难溶碳酸盐类物质的特殊介质，是海洋沉积物中的一种。1.1 Definition1.2 Distribution 我国南海诸岛、红海、澳大利亚西部大陆架和巴斯海峡。1.3 Constitute钙质砂的沉积主要来自：（1）钙质生物骨架，如珊瑚礁、贝壳等的破碎、搬运和沉积物；（2）碎屑物，如古老灰岩的破碎、搬运和沉积物；（3）水中的碳酸盐类物质因温度、压力等发生变化而在溶液中沉积。一、概述21.4 Charicteristics钙质砂与普通的石英砂相比有如下特征：1.
2、 物理性质 （1）内孔隙； （2）高孔隙比；（钙质砂0.7-2.5，石英砂0.4-0.9） （3）高Caco3含量；（钙质砂80%) 2. 力学性质： （1）高内摩擦角； （2）高压缩性； （3）颗粒破碎。3晋卿岛钙质砂1.5 电镜扫描41mm500m永暑礁钙质砂5200m50m永暑礁钙质砂6（1）2mm以上钙质砂颗粒的断面孔隙度比12mm颗粒大，钙质砂颗粒内孔隙中小孔隙数量多，而大孔隙少，所占空间则更大。（2）对于1 mm 以上的钙质砂，缝隙状内孔隙含量极低，等轴或不等轴孔隙占绝大部分，其中，等轴内孔隙均占到总孔隙数量的55%以上。（3）如何全面地对钙质砂的内孔隙大小、形状等进行分析研究，建
3、立其与钙质砂颗粒破碎之间的关系，从定性到定量解释钙质砂所表现出来的宏观力学性质等，尚需进一步研究。1.5 内孔隙特征7二、颗粒破碎研究现状及进展经典土力学：土颗粒不可压缩和破碎，变形是 由于土体孔隙气水的排出和土体颗粒的重组。实际上：土体颗粒在受到于起自身强度的应力下会发生整体或部分破碎。8Blackwelder(1920) 、Terzaghi(1925)、Athy(1935)、Botset与Reed(1935)等通过一系列简单的试验研究，认为颗粒材料即使在高达8.5MPa的情况下其破碎量都是很小的。Lee、Farhoomand(1967) 提出用颗粒粒径变化的比值来表示颗粒的破碎程度，即用破
4、碎前后试样某含量的粒径比值表示。Norihiko MiaraSuke O-Hera(1979) 在提出以试样颗粒面积增量来表示破碎数量，并发现试样破坏时颗粒面积增量与塑性功增量之比(ds/dw)与相应的(1/3)存在很好的线性关系，这说明ds/dw是试验材料破坏的一种很好的特征量O.Hardin(1985)引入了破碎势的概念(potential for breakage)，提出了一种表示破碎的方法，破碎势(B)即颗粒破碎的可能性。认为颗粒破碎的可能性随颗粒粒径的增大而增大，在高应力作用下大颗粒将破碎成粉粒，而粉粒则被认为是不可继续破碎的。他还定义了相对破碎率，这种引入相对破碎率的一个显著特点就
5、是对于同一种材料，具有相同的颗粒形状和相对初始状况，沿同一路径加载，不同级配的试样相对破碎率基本相同。2.1 颗粒破碎研究历史9 胡波，汪稔. 三轴条件下钙质砂的颗粒破碎研究2.2 前人研究方法及结论破碎势Bp ：其中，D为颗粒的粒径，当D0.074mm时，bp=0。 对于整个试样，破碎势Bp可表示为：其中，df为bp相应粒径的筛分通过率，以微分表示。2.2.1 颗粒破碎的评价方法级配曲线、破碎指标10相对破碎Br：颗粒破碎指数B10 ：试验前后的整体破碎势之差为总破碎Bt即： 其中，bpo表示试验前的bp；bpl表示试验后的bp。总破碎Bt与初始破碎势Bpo之比即为相对破碎Br： 其中，D1
6、0f 表示试验后的有效粒径；D10i 表示试验前的有效粒径。 111-2mm钙质砂不同围压下排水剪切后颗粒级配曲线5mm钙质砂不同围压下排水剪切后颗粒级配曲线级配条件、围压对于钙质砂 的破碎有显著的影响。125mm钙质砂相对破碎Br与1关系曲线随着围压的增加相对破碎增大，但是颗粒破碎并不是随着压力的增加而无限增大的，当颗粒破碎到一定程度时就会停止。 13张家铭，蒋国盛. 颗粒破碎及剪胀对钙质砂抗剪强度研究张家铭，蒋国盛. 颗粒破碎及剪胀对钙质砂抗剪强度研究Effective parameters for the particle breakage of calcareous sands:An
7、experimental study （2013）Habib Shahnazari14 不同的钙质砂，其起始破碎围压不同，但一般是在500kpa以上的高围压条件下产生；级配条件对于钙质砂的破碎有显著的影响；随着围压的增加相对破碎增大，但是颗粒破碎并不是随着压力的增加而无限增大的，当颗粒破碎到一定程度时就会停止。 小结：15张家铭，蒋国盛. 颗粒破碎及剪胀对钙质砂抗剪强度研究Rowe剪胀方程：其中：u 为颗粒之间的摩擦角，消除了剪胀作用。考虑颗粒破碎修正的方程：其中：dEB为单位体积试样由于颗粒破碎所消耗的能量； f 为消除了剪胀和颗粒破碎的摩擦角。2.2.2 颗粒破碎与强度的关系16表面积增量
8、与轴向应变关系曲线u与dSv/d1关系曲线17图：各强度分量试验结果18张家铭 钙质砂基本力学性质及颗粒破碎影响研究针对永暑礁钙质砂进行了大量的三轴排水剪切试验，围压从100kpa到13.8Mpa，相对密实度64%，为中密砂。19小结：钙质砂的颗粒破碎与剪胀对其强度有重要影响。低围压下剪胀对其强度的影响远远大于颗粒破碎，而随着围压的增加，钙质砂颗粒破碎加剧，剪胀影响越来越小，而颗粒破碎的影响则越来越显著。颗粒破碎对强度的影响随着围压的增大而增大，当破碎达到一定程度，颗粒破碎程度会渐趋减弱，直至停止，其影响也渐趋于稳定。20三、基于CT扫描的钙质砂颗粒破碎研究3.1 CT技术原理物体某断面各物质
9、点的吸收系数 ，即可换算成 CT 数 H：式中 w 为水的X射线吸收系数。CT的发明者Housefield教授定义：空气的CT值为1000，纯水的为0，纯冰的为100。物质的密度越大，其CT数也越大。CT数：数：CT 扫描图像的灰度大小与相应部位的密度成正比，在图像上表现为高密度区图像亮度大。灰度：213.1 试验方案3.1.1 试验目的三轴排水剪切条件下，不同颗粒级配、不同围压，不同相对密实度下，钙质砂的颗粒破碎和强度的关系。3.1.1 试验方法9次扫描时刻分别对应轴应变0%、2%、5%、8%、10%、12%、15%、17%、20%的时刻。三轴剪切试验：A、B两组颗粒级配不同的钙质砂。 试样编号相对密实度围压（kpa）剪切速率mm/minA120%2000.45A260%2000.45A320%8000.45A460%8000.45B120%2000.45B260%2000.45B320%8000.45B460%8000.4522图：CT扫描断面位置对 3 个横断面和2个垂直的侧断面进行跟踪 CT 扫描，共扫描 9 次。将扫描断面面积区域分成中心、中环、外环、中区和全区。M（中）D（下）U（上）0.2h0.3h0.3h0.2h外环中环中心中区=中环+中心全区=外环+中环+中心23图：冻土3个扫描断面在不同时刻的扫描图像24中部上部下部