珊瑚礁钙质砂颗粒破碎影响液化行为的机理及模拟

Carbonate sands are composed of minute skeletal debris of marine plants or animals, which tend to crush more easily than silica based sands as their fragile shell particles fracture. The commonly-used methods evaluating liquefaction susceptibility are not applicable for sites and foundations composed of carbonate sands because they do not take particle breakage effects into consideration. Now large-scale reclamation projects are being constructed in South China Sea, so it is of great significance for China to study the liquefaction characteristics of carbonate sands under the combined action of strong earthquakes and wave loading ..This research proposal arises from the practical needs to seek more rational and reliable method to evaluate the liquefaction potential of reclaimed lands by carbonate sands in South China Sea. By conducting a series of cyclic triaxial and hollow cylinder tests on the coral sand from South China Sea, this study aims to 1) reproduce systematically the liquefaction behavior of carbonate sand under the typical stress paths in marine environment ; 2) reveal the mechanism behind the effect of particle breakage on liquefaction behavior; 3) develop a constitutive model to describe the stress-strain behavior during the whole liquefaction process; 4) present a practical method for complicated boundary problems by implementing the constitutive model into a fully-coupled numerical codes. The expected achievements will be conductive for the safety evaluation of the important facilities build on the carbonate-sand-filled lands in South China Sea.

钙质砂是一种海洋生物成因的颗粒易破碎的特殊岩土材料。现有的基于陆源砂的地震液化评价方法没有考虑土颗粒破碎的效应，不能有效应用于钙质砂场地。我国南海正在大规模利用珊瑚礁钙质砂填海造陆，并在其上建设重要的基础设施，发展可靠的钙质砂场地或地基在强震及暴风浪联合作用下的液化评价方法是我国南海工程建设中需要迫切解决的关键科技问题。. 本项目以南海广泛利用的造陆填料——珊瑚礁钙质砂为研究对象，通过系统的试验再现钙质砂在海洋工作环境下的典型应力路径下的液化行为，着重于揭示颗粒破碎影响钙质砂液化行为的机理和规律，然后建立描述钙质砂液化全过程变形行为的本构模型，发展海洋工作环境下钙质砂地基液化的评价方法。研究成果可以助益于我国南海钙质砂填筑人工岛上机场、码头和港口等重大工程的安全性评价。

我国南海岛礁大多为珊瑚礁，岛礁间的松散堆积物及礁坪沉积物以钙质砂、钙质砾石为主。在南海的开发过程中，形成了大量的易液化的钙质砂吹填场地。钙质砂颗粒含内孔隙、形状极不规则，在较低压力下即可发生显著的颗粒破碎增大其体积收缩趋势，从而显著地减小其抗液化能力；然而钙质砂棱角状的颗粒会使土颗粒间有更大的摩擦和咬合，从而增大其抗液化能力。因此钙质砂的液化变形行为更为复杂，现有的基于陆源砂的地震液化评价方法没有考虑土颗粒破碎的效应，需要评价其应用于南海珊瑚礁钙质砂场地的有效性。.本项目旨在系统揭示钙质砂的颗粒破碎特征、演化规律及其对液化行为的影响，在此基础上建立合理的钙质砂场地或地基地震液化评价方法。本项目的研究成果主要包括以下几个方面：（1）针对我国南海的珊瑚礁砂砾石和钙质砂开展了系统的物性试验、静力试验和不同应力路径下的循环剪切试验，揭示了静动力荷载作用下珊瑚礁砂砾料颗粒破碎的特征及其对模量、强度及临界状态等力学特性的影响；（2）通过系列剪切至不同应变的平行试验，以及离散元颗粒流数值试验，揭示了钙质砂在具体应力路径下颗粒破碎的演化规律，建立了静动力荷载下颗粒破碎过程的数学描述；（3）在揭示的颗粒破碎演化规律及颗粒破碎对力学特性的影响规律的基础上，建立了反映颗粒破碎的钙质砂的静动力本构模型及其应用于边值问题的数值算法；（4）研制了轻型动力触探室内实验设备，综合相同级配的钙质砂和硅质砂在不同相对密度下的轻型动力触探试验和不排水循环三轴试验的结果，评估了现有基于陆源硅质砂的地基液化判别方法对于珊瑚礁钙质砂地基的实用性，提出了实用的修正现有评价方法的思路。这些研究成果可以助益于我国南海钙质砂填筑人工岛上大型建筑工程的安全性评价。.此外本项目研制的相关剪切试验设备、颗粒破碎理论以及本构模型和算法也应用于高堆石坝的渗流变形耦合分析及安全性评价中，取得了一些研究成果。