已有研究表明，土的宏觀力學(xué)行為較大程度取決于微觀顆粒特征，如尺寸、形狀和粗糙度，這些是導(dǎo)致其具有特殊工程力學(xué)的重要因素。我國南海的珊瑚鈣質(zhì)砂顆粒具有的不規(guī)則形狀、表面粗糙且多棱角、易破碎的特點(diǎn)，使其與常規(guī)陸源砂相比具有更為復(fù)雜的工程力學(xué)特性，珊瑚鈣質(zhì)砂在加載受力過程中的顆粒破碎和形貌變化特征對于深化鈣質(zhì)砂土變形破壞影響機(jī)理的認(rèn)識具有重要意義。

中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所海洋工程地質(zhì)學(xué)科方向組研究人員與英國布魯內(nèi)爾大學(xué)博士趙濤，利用動態(tài)圖像方法對鈣質(zhì)砂一維壓縮試驗(yàn)前后顆粒破碎與形貌進(jìn)行了定量化表征與分析。該研究采用大尺寸的固結(jié)壓力盒（內(nèi)徑231.6毫米，高度155毫米）對不同形貌鈣質(zhì)砂顆粒（10-20毫米）開展一維壓縮試驗(yàn)，并分析試驗(yàn)前后的顆粒形貌變化。研究表明，粗顆粒在壓縮過程中發(fā)生了連續(xù)破碎和逐漸細(xì)化，使得不同顆粒形狀混合物的壓縮系數(shù)幾乎相同。在動態(tài)圖像分析中，通過分析顆?？傊荛L在實(shí)驗(yàn)前后的變化，可以有效地反映與定量化顆粒破碎。顆?；旌衔镏兄铑w粒的增多會顯著增加顆粒破碎量，原因是枝狀珊瑚顆粒在壓縮過程中更容易受到局部應(yīng)力的集中破壞。粗顆粒的破碎會產(chǎn)生大量的細(xì)顆粒，其顆粒數(shù)量分布特征呈指數(shù)函數(shù)，這些細(xì)顆粒的形貌比粗顆粒更加細(xì)長與平滑。壓縮試驗(yàn)后的顆粒都趨于光滑和規(guī)則球形，特別是球形顆粒比棱角形顆粒表面變得更為光滑。該研究建立了顆粒形貌變化與巖土工程實(shí)踐的相關(guān)性。

相關(guān)研究成果以Quantifying the morphology of calcareous sands by dynamic image analysis為題，發(fā)表在International of Journal of Geomechanics上，論文第一作者為武漢巖土所副研究員魏厚振，論文通訊作者為趙濤。研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）、國家自然科學(xué)基金的支持。

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圖1.態(tài)圖像分析系統(tǒng)示意圖

圖2.典型顆粒形貌的動態(tài)圖像序列。圖中每一行都是連續(xù)的特定顆粒的圖像

圖3.顆粒圖像數(shù)字化及各形貌參數(shù)定義

圖4.壓縮試驗(yàn)前后各試樣顆粒等效粒徑的分布對比

圖5.壓縮試驗(yàn)前后顆粒形狀參數(shù)的分布對比

圖6.壓縮試驗(yàn)前后鈣質(zhì)砂顆粒球度與凸度關(guān)系圖