天然巖土顆粒材料液體中拖曳力系數(shù)試驗(yàn)研究.pdf

1、鈣質(zhì)砂作為南海島礁填筑常用的巖土顆粒材料，其滲透性很大程度上決定著填筑后土體的固結(jié)和沉降，從而影響海工構(gòu)筑物的安全和穩(wěn)定。鈣質(zhì)砂通常由珊瑚、貝類等海洋生物遺骸組成，因此在化學(xué)成分及礦物組成方面區(qū)別于其他巖土顆粒材料。另外，其內(nèi)外孔隙都極其發(fā)育，顆粒易破碎，顆粒形貌極不規(guī)則，導(dǎo)致其力學(xué)和水理性質(zhì)與陸源石英砂有很大區(qū)別。
　　拖曳力系數(shù)是表達(dá)流體與顆粒之間相互作用的無量綱物理量，也是表征顆粒狀土體滲透能力的一個重要參數(shù)，目前國內(nèi)外對鈣

2、質(zhì)砂等天然巖土材料拖曳力系數(shù)的研究十分有限。本文首先通過長寬比、圓形度分析比較了鈣質(zhì)砂和石英砂的表面形態(tài)，并引入一個修正的三維參數(shù)?對鈣質(zhì)砂和石英砂這兩種天然非規(guī)則顆粒材料的形狀進(jìn)行定量描述，發(fā)現(xiàn)石英砂顆粒平均?值為0.7，鈣質(zhì)砂顆粒平均?值為0.57；從分形角度討論了鈣質(zhì)砂和石英砂顆粒的形狀分維數(shù)，發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)砂分形維數(shù)較石英砂更大，鈣質(zhì)砂顆粒的形態(tài)更復(fù)雜。
　　通過自行設(shè)計和加工的沉降裝置，開展了一系列天然巖土和機(jī)械加工的單個顆粒

3、在液體中的沉降試驗(yàn)，利用高速相機(jī)記錄顆粒沉降過程，結(jié)合圖像處理技術(shù)獲得顆粒沉降平衡速度Ut。對于規(guī)則顆粒試驗(yàn)結(jié)果，本文從拖曳力系數(shù)和顆粒沉降平衡速度兩個方面，采用統(tǒng)計學(xué)參數(shù)對以往各模型的誤差進(jìn)行了系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)Brown和Lawler模型的計算誤差較小，從而將其作為研究不規(guī)則顆粒拖曳力系數(shù)的基礎(chǔ)；對于鈣質(zhì)砂和石英砂兩種天然不規(guī)則材料，通過 Ut計算出拖曳力系數(shù) CD和雷諾數(shù)Re,分析了形狀和雷諾數(shù)對顆粒拖曳力系數(shù)的影響，得到拖曳力系數(shù)隨

4、Re和?的增大而減小的規(guī)律。通過引入形狀影響系數(shù)?可以體現(xiàn)不同雷諾數(shù)區(qū)間上?對CD的影響大小，最后分別擬合出包含CD、Re及?三個參數(shù)的鈣質(zhì)砂和石英砂拖曳力系數(shù)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。該模型能夠考慮不規(guī)則顆粒形狀對拖曳力系數(shù)的影響，從而提高對土體滲透性預(yù)測的精度，對南海島礁填筑工程中鈣質(zhì)砂固結(jié)和沉降的計算及海工構(gòu)筑物基礎(chǔ)的穩(wěn)定性評價具有重要意義。
　　通過借鑒Di Felice的研究成果，建立了鈣質(zhì)砂顆粒集合體與單顆粒拖曳力的聯(lián)系，并嵌入到C