初始级配对干燥钙质砂剪切行为与颗粒破碎的影响

《Applied Ocean Research》：Effect of initial grading on shear behavior and particle crushing of dry calcareous sands

　　

本研究采用直剪试验结合高性能声发射（Acoustic Emission，AE）测量，研究了不同初始级配与法向压力条件下可破碎钙质砂的力学行为。结果表明，随着初始级配粒径增大并伴随特定颗粒形貌特征变化，剪切强度与剪切模量均呈现先降低后升高的变化趋势，同时剪应力–位移曲线由应变软化逐渐转变为应变硬化行为。AE活动与宏观力学响应密切相关：较大的初始颗粒粒径和较高的法向应力均会产生更多AE计数。双对数坐标下，高频AE计数与相对破碎指标之间呈现较强线性关系（R²=0.90），证实高频AE可作为表征颗粒破碎的有效指标。AE计数率及主频响应的演化规律也随初始级配显著变化。较细级配表现出三阶段AE演化特征，即快速增加、降低与稳定，且以低频（<100 kHz）和中高频（100–300 kHz）信号为主。相比之下，较粗级配表现为两阶段演化，即增加后进入平台阶段，其AE信号除低频和中高频成分外，还包含显著比例的高频发射（300–600 kHz）。研究结果强调了具有不同颗粒形貌特征的级配对剪切过程中颗粒破碎演化（包括速率、程度与模式）的显著影响。

该文发表于《Applied Ocean Research》，围绕海洋岩土工程中钙质砂的可破碎性与剪切响应耦合问题展开。钙质砂广泛分布于热带、亚热带海洋环境，是岛礁、港口、机场及沿海交通基础设施建设的重要地基材料。与常规硅质砂不同，钙质砂具有生物成因特征，颗粒多呈棱角状，内部孔隙丰富，导致其在较低应力水平下即可能发生显著颗粒破碎。既有研究已表明，颗粒破碎会显著影响材料渗透性、摩擦角、剪胀性及临界状态线等宏观力学性质，因此，如何有效识别并量化剪切过程中的颗粒破碎，一直是钙质砂力学研究的重要问题。

现有颗粒破碎评价方法多基于粒径分布（PSD）变化、比表面积增长、分形理论或能量耗散分析，其中Hardin提出的相对破碎指标（B_r）被广泛采用。然而，传统方法大多只能反映试验前后总体破碎程度，难以在加载过程中实时区分颗粒重排、摩擦滑移、旋转及破碎等不同细观机制；同时，总输入能量中往往混杂弹性变形、摩擦耗能与结构重组等贡献，使破碎相关过程难以被单独识别。声发射（AE）技术为解决这一问题提供了可行路径。AE能够捕捉颗粒相互作用所释放的弹性波，不同频段信号对应不同细观行为：低频通常关联颗粒滑移与旋转，中高频及高频则更多反映磨蚀、棱角断裂和颗粒劈裂等破碎过程。尽管这一频率判别思路已在颗粒土研究中得到应用，但针对不同初始级配钙质砂的适用性及其与颗粒破碎定量指标之间的关系，仍缺乏系统验证。因此，该研究旨在阐明初始级配对钙质砂宏细观剪切行为及颗粒破碎演化的影响，并检验高频AE参数表征破碎全过程的有效性。

研究人员选取南海某珊瑚岛礁来源、CaCO₃含量大于85%的钙质砂，筛分为三组单一级配：GSD1（0.75–1 mm）、GSD2（1–2 mm）和GSD3（2–3 mm）。扫描电镜结果显示，GSD1颗粒较规则、较圆整，内部孔隙较少；GSD2与GSD3颗粒则更不规则、棱角更明显，且含有较多颗粒内孔。研究人员在相对密度D_r=80%条件下，于100、200、400 kPa三种法向压力下开展干态直剪试验，并同步布设四个压电陶瓷AE传感器进行高分辨率监测。研究目标包括：分析初始级配对剪切强度、刚度及变形特征的影响；评价高频AE参数量化颗粒破碎的能力；揭示AE频率响应与颗粒破碎模式之间的联系。

主要技术方法方面，研究采用干态直剪试验获取剪应力–位移响应，在三种单一级配与三种法向压力组合下形成9组工况，每组重复至少2次；采用四传感器高性能声发射（AE）监测系统同步采集原始波形，以快速傅里叶变换（FFT）提取主频，并利用Chebyshev Ⅱ型高通滤波分离>100 kHz高频信号以表征颗粒破碎；通过试验前后粒径分布（PSD）筛分结果计算Hardin相对破碎指标（B_r），并将其与累计高频AE计数建立定量关系；颗粒形貌特征则结合扫描电镜（SEM）图像进行对比分析。样品来源为中国南海珊瑚岛礁钙质砂。

3.1. Relations of shear stress-shear displacement
研究结果表明，不同初始级配下的钙质砂剪应力–位移曲线具有良好重复性，且初始级配对其力学行为具有显著影响。随着初始粒径增大，试样在0–11 mm位移范围内的响应由应变软化逐步转变为应变硬化。GSD1主要表现为整体剪切破坏，GSD2表现出局部剪切破坏特征，而GSD3尤其在高法向压力下则呈现文中定义的“收缩性破坏”，即剪切过程中强度持续增加而不出现明显峰值。剪切强度和剪切模量随法向压力增加近似线性增大；但在相同法向压力下，二者均随粒径增大表现为先减小后增大。由Mohr-Coulomb准则得到的表观黏聚力和内摩擦角也呈现相同非单调变化。研究人员指出，这一现象与不同级配对应的颗粒圆整度、棱角程度、颗粒内孔隙以及由此引发的协调数、颗粒间嵌锁、应力集中和破碎倾向密切相关。对于较粗颗粒组，剪切过程中还观察到应力曲线波动及上剪切盒抬升现象，研究将其解释为“颗粒跨越效应”，即接触处剪力不足以克服颗粒自身强度时，颗粒相互爬升并诱发正剪胀。

3.2. AE behavior of calcareous sands upon shearing
AE响应与宏观力学过程呈现高度一致性。总体上，初始粒径越大、法向压力越高，累计AE计数越多。AE计数率（R_AE）随剪切位移增大而上升，并在接近峰值应力时达到高值，但峰后演化受级配影响明显。GSD1在峰后随应变软化发生AE计数率快速下降并最终稳定，这与剪切带形成后结构完整性削弱、AE波传播受阻有关；GSD3峰后仅轻微下降，显示持续活跃的颗粒相互作用；GSD2则介于两者之间。对于GSD3–400 kPa等粗粒工况，尽管剪应力持续升高，AE计数率却出现间歇性升降波动，研究将其归因于“颗粒跨越效应”诱发的上下剪切盒局部分离，进而影响AE波传播与衰减。进一步比较峰值AE计数率（P_AE）与峰值应力（P_S）对应位移可见：在GSD1代表的整体剪切破坏中，P_AE多出现在P_S之后；随着破坏模式向局部剪切及“收缩性破坏”转变，P_AE在较高法向压力下逐渐前移至P_S之前。这种P_AE与P_S之间的相对位移变化为钙质砂破坏前兆识别提供了依据。

4.1. Particle crushing and its correlations with AE frequency response
为识别颗粒破碎，研究人员将>100 kHz频段定义为破碎相关AE信号，并从原始波形中提取累计高频AE计数（D_HAE）。这里的颗粒破碎包括表面突起磨损、研磨、棱角断裂及颗粒劈裂等多种损伤机制。通过对比试验前后PSD并计算Hardin相对破碎指标B_r，研究发现，试验结束时累计高频AE计数D^*_HAE与B_r具有一致变化趋势：法向压力越高、初始粒径越大，颗粒破碎越强。更重要的是，D^*_HAE与B_r在双对数坐标下建立了良好的线性关系，相关系数R²超过0.9，表明高频AE参数能够有效量化直剪过程中钙质砂的颗粒破碎。研究同时指出，该关系未纳入GSD1数据，因为该组破碎程度较低，常规筛分难以精确评估B_r，因此该经验关系更适用于B_r较大的明显破碎情形。文中还将这一双对数关系与硅质砂中常见的半对数关系进行比较，认为差异可能源于矿物组成、颗粒形貌、破碎模式及多孔颗粒介质中的高频信号衰减共同作用。钙质砂颗粒内孔隙可能产生“低通滤波”效应，使灾变性破裂产生的高频信号在传播过程中被衰减或表现为较低频响应。

4.2. Evolution of particle crushing upon shearing using frequency-dependent AE characterization
基于高频AE计数率（R_HAE）与主频演化，研究人员进一步分析了不同初始级配下颗粒破碎的全过程。对于较细级配GSD1–200，其整体剪切破坏对应的R_HAE演化表现为三个阶段：第一阶段在峰值应力后略后位置快速升至峰值；第二阶段在应变软化过程中快速下降；第三阶段在残余状态附近维持低值稳定。相应的主频响应表明，初始阶段以低频AE（<100 kHz）为主，随后中频AE（100–300 kHz）占优势，仅在接近峰值应力时零星出现高频AE（300–600 kHz）。这说明较细级配在400 kPa以内法向压力下总体破碎有限，剪切过程主要受表面突起磨损和研磨控制，灾变性棱角断裂与颗粒劈裂仅局部发生。相反，对于较粗级配GSD3–200，其“收缩性破坏”对应的R_HAE仅表现为两阶段：峰前快速升高后进入近似恒定平台，直至试验结束均未显著衰减。其主频响应在整个加载过程中持续同时包含低频、中频与高频AE，说明较粗且形貌不规则、内孔丰富的颗粒在全过程中持续发生较强破碎，不仅有磨损和研磨，也伴随显著的棱角断裂和颗粒劈裂。GSD2的演化特征整体介于GSD1与GSD3之间。

讨论部分表明，该研究从宏观剪切响应、AE活动和频率依赖破碎表征三个层面，系统揭示了初始级配及其所对应颗粒形貌对钙质砂剪切行为的控制机制。颗粒粒径增大不仅改变了颗粒间嵌锁与应力传递方式，也因不规则形状和颗粒内缺陷增加而提高了破碎倾向；由此，材料由以颗粒重排为主的剪切响应逐渐转变为以持续破碎和结构压密为特征的响应。AE监测结果进一步说明，高频信号能够从总变形过程中分离出破碎相关行为，并在一定范围内实现对颗粒破碎程度的实时定量表征。研究同时指出本工作的局限性：法向应力上限为400 kPa，尚不足以覆盖更高应力情景；仅依赖AE单一技术，尚难完全揭示复杂破碎机制；采用单一级配材料，也限制了向现场宽级配沉积物的直接外推。因此，未来需结合更广应力范围、更加代表原位条件的级配以及多尺度观测技术开展进一步研究。

结论部分翻译如下：
在相对密度为80%、法向压力100–400 kPa的干态条件下，研究人员结合高性能声发射（AE）测量，对不同初始级配钙质砂开展了一系列直剪试验，重点考察了以颗粒圆整度、棱角及颗粒内孔隙差异为表征的初始级配对宏细观力学行为，尤其是颗粒破碎的影响。结果表明：
（1）初始粒径增大使剪切强度和剪切模量呈现先减小后增大的非单调变化；相应地，剪应力–位移曲线在0–11 mm范围内由应变软化转变为应变硬化，这反映出破坏模式由整体剪切破坏向“收缩性破坏”转变，其根源在于级配、颗粒形貌及应力传递机制的变化。
（2）AE行为与钙质砂的宏观力学响应密切一致。较大的初始级配和较高法向应力会产生更多AE计数。高频AE与Hardin相对破碎指标之间在双对数坐标下存在显著线性关系，说明高频AE可有效量化可破碎钙质砂中的颗粒破碎。然而，这种双对数关系不同于硅质砂中的半对数相关性，原因可能在于独特破碎机制与多孔介质内在信号衰减的耦合作用。
（3）对于较小初始级配，高频AE计数率演化表现为快速增加、急剧降低和稳定三个阶段，且主要由低频（<100 kHz）和中频（100–300 kHz）AE主导；对于较大初始级配，则表现为快速上升后进入平台的两阶段演化，并伴随明显的高频AE（300–600 kHz）。这表明，初始粒径及其相关形貌的增加，会改变剪切过程中颗粒破碎的速率与模式，包括表面突起磨损、研磨、棱角断裂和颗粒劈裂。
（4）该研究基于室内直剪试验，仍存在若干局限：其一，受设备限制，法向应力最高仅400 kPa，尚无法分析更高应力条件；其二，仅采用AE单一技术，可能无法完全捕捉颗粒破碎的复杂性；其三，单一级配试样限制了结果向现场宽级配沉积物的直接推广。未来研究将针对更贴近现场条件的级配，在更宽围压范围内，结合染色颗粒与图像分析等先进多尺度技术开展综合研究。