碳酸盐砂微观结构演化与组构各向异性的离散元模拟研究

为解决岛礁工程中碳酸盐砂复杂力学行为预测难题，研究人员通过融合真实颗粒形态和柔性边界的离散元法(DEM)，结合原位X射线微CT扫描实验数据，系统研究了不同围压下颗粒破碎模式与组构演化规律。研究发现不规则形状颗粒比球形颗粒表现出更低的偏应力和更高体积收缩，且几何组构参数对围压变化更敏感。该研究为海洋工程中碳酸盐砂地基稳定性评估提供了微观力学依据。

　　

在南海岛礁建设等国家重大工程中，碳酸盐砂作为典型的海洋地质材料，其特殊的生物成因导致颗粒形态尖锐多孔、力学行为复杂。传统岩土力学理论基于硅质砂建立，难以解释碳酸盐砂在高应力下表现出的异常压缩和强度软化现象。更棘手的是，现有离散元法(DEM)模拟往往简化颗粒为球形，虽提升计算效率却牺牲了形态真实性，使得微观机理研究陷入瓶颈。

武汉理工大学联合上海同步辐射光源的研究团队在《Powder Technology》发表创新成果，首次将真实碳酸盐砂形态导入三维DEM模型，通过同步辐射X射线微CT扫描获取原位变形数据，建立了从微观破碎机制到宏观力学响应的完整解析链条。研究采用形态重构技术将CT扫描的颗粒转化为多面体DEM单元，开发柔性膜边界算法模拟三轴仪约束条件，结合分阶段图像配准技术追踪10⁵量级颗粒的运动轨迹和接触力链演化。

应力-应变行为
对比真实形态与球形颗粒的DEM模拟发现：在50 kPa低围压下，不规则颗粒的峰值偏应力较球形颗粒降低23%，体积应变增加1.8倍；当围压升至800 kPa时，差异缩小至12%和1.3倍。这表明形态效应随应力增加而减弱，但始终显著影响材料强度。

颗粒破碎模式
通过碎片识别算法统计发现：低围压时70%破碎表现为边缘剥落(chipping)，而高围压下50%转为整体碎裂(fragmentation)。特别的是，真实形状颗粒的碎裂率增速比球形颗粒慢40%，揭示尖锐形态通过应力分散延缓了整体破坏。

组构各向异性
引入二阶张量量化接触法向分布，发现几何组构各向异性系数a_g的围压敏感性是力学系数a_m的2.3倍。剥落主导区a_g呈指数衰减，而碎裂区转为线性下降，表明破碎模式转变会重构微观接触网络。

该研究通过多尺度验证证实：DEM模型能精确复现实验测得的应力应变曲线(误差<8%)和破碎分形维数(误差<5%)。发现几何组构参数可作为围压敏感的微观指标，为工程监测提供新思路。研究建立的形态-破碎-组构关联理论，突破了传统连续介质力学框架，为深海地基智能仿真平台开发奠定了算法基础。同步辐射与DEM的跨界融合方法，也为其他脆性颗粒材料研究提供了范式转移。