本文關鍵詞：南海鈣質(zhì)砂滲透特性試驗研究

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【摘要】：鈣質(zhì)砂是富存于熱帶海洋環(huán)境(包括中國南海海域)中的一種特殊巖土介質(zhì),主要化學成分為碳酸鈣。鈣質(zhì)砂通常由珊瑚、海藻、貝類等海洋生物遺骸組成,由于特殊的物理、化學和生物作用,鈣質(zhì)砂具有孔隙(尤其是內(nèi)孔隙)發(fā)育、顆粒易破碎、形狀不規(guī)則、結構性強等特點,使得鈣質(zhì)砂在物理力學尤其是滲透性質(zhì)方面不同于一般陸源石英砂。本文對采自南海某珊瑚島礁的鈣質(zhì)砂試樣進行初步研究,包括級配分析顆粒組成、能譜分析測定各元素含量、掃描電鏡(SEM)拍攝鈣質(zhì)砂微觀照片觀察細觀形貌等。首先,采用傳統(tǒng)常水頭滲流試驗,探究了顆粒粒徑、孔隙率、級配指標(不均勻系數(shù)Cu、曲率系數(shù)Cc)對鈣質(zhì)砂滲透性的影響。針對鈣質(zhì)砂特殊的結構性,采用掃描電鏡和圖像處理技術,引入球Φ和圓度χ的比值ψ狀參數(shù)從三維空間角度對顆粒形狀進行了定量描述,并在粒徑區(qū)間、相對密實度相同的條件下,通過與福建標準砂、人造玻璃珠進行對比試驗來考查鈣質(zhì)砂的滲透特性,從而進一步探究顆粒形狀對鈣質(zhì)砂滲透性的影響；隨后,自行研制可以模擬在較高速水流作用下進行多孔介質(zhì)滲流的試驗裝置,模擬在風、浪、地震等極端荷載作用下鈣質(zhì)砂較高速水流條件下的非達西滲流狀態(tài),并采用多孔介質(zhì)滲流方程對試驗結果進行擬合；最后,采用CFD-DEM流固耦合數(shù)值方法模擬粗粒土滲流過程,并與相同條件下的物理試驗進行對比驗證可靠性。常水頭滲流試驗結果表明,鈣質(zhì)砂滲透性隨著顆粒粒徑的增大而增大,滲透系數(shù)與平均粒徑呈二次方關系；在相同粒徑區(qū)間下,鈣質(zhì)砂的滲透性隨著孔隙率的增大而增大,滲透系數(shù)與孔隙率呈線性關系；隨著不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc的增大,鈣質(zhì)砂混合料試樣的滲透性增大,滲透系數(shù)分別與兩個級配指標呈線性關系；鈣質(zhì)砂顆粒形狀多變,具有較強的結構性和不均勻性,在相同粒徑區(qū)間和相同密實度條件下鈣質(zhì)砂的滲透性小于陸源石英砂和玻璃珠,表明顆粒形狀越復雜,滲透系數(shù)越小。非達西滲流試驗結果表明,鈣質(zhì)砂形狀多變和孔隙發(fā)育等特點對其較高速水流作用下的滲流特性有較大影響。CFD-DEM流固耦合數(shù)值模擬結果與試驗結果吻合良好,表明此方法是一種模擬粗粒土滲流過程的有效方法,對今后采用數(shù)值方法模擬鈣質(zhì)砂這種復雜形狀顆粒的滲流特性奠定了基礎。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TU411.4

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