多接触加载下钙质砂的静态疲劳性能与声发射特征

《Powder Technology》：The static fatigue properties and acoustic emission characterization of calcareous sand under multi-contact loading

　　

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  AE信号识别出三个破坏阶段：弹性阶段、裂纹扩展阶段和破坏阶段。
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  高配位数（$?6$）通过应力均匀化提高强度稳定性。
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  AE命中率激增和b值下降可作为可靠的破坏前兆。
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  形状-配位数耦合调控微裂纹扩展和破坏模式转变。

引言

钙砂是一种广泛分布于热带和亚热带海洋环境的生物成因碳酸盐地质材料，其独特的性质（包括高孔隙率、易碎性和棱角状形态）使其区别于陆生石英砂[1]。南海岛屿建设和海上资源开发的增长加剧了人们对依赖该材料的 Foundations 和嵌入结构的长期稳定性的关注[2]。具体而言，在持续应力下因内部损伤累积而产生的静疲劳时间相关破坏对结构耐久性构成了严重威胁[3]。

虽然钙砂的短期力学行为（如抗压强度和抗剪强度）已得到充分研究[4]，但在持续荷载下的时间相关退化机制，特别是反映颗粒尺度微观力学的静疲劳特性，尚未得到充分解释[5]。钙砂的高孔隙率和脆性使得颗粒在长期荷载作用下极易破碎和接触面重排，这 critically 控制了宏观变形和强度衰减[6]。之前的研究[7]调查了孤立钙砂颗粒的静疲劳响应；然而，在自然地质环境中，颗粒处于多接触状态，在多个点与邻近颗粒相互作用，通过配位数（CN）来量化。

多接触构型显著影响颗粒内部应力分布。例如，"缓冲效应"理论认为，高配位数（CN）有助于将应力分散到多个接触面上，从而降低颗粒破碎的可能性。相反，低配位数减少了接触点，加剧了力的集中，显著降低了断裂强度。需要明确的是，此处使用的CN值是实验中设定的，旨在模拟真实世界中的颗粒接触条件，而非自然颗粒系统中精确的配位数。尽管这种CN效应在土生砂（如石英砂）中已有记载[8]、[9]，但钙砂颗粒独特的形态（片状、块状和纺锤状）和内部孔隙率表明，其在多接触荷载下的静疲劳行为涉及更复杂的耦合机制，需要进行系统研究。

为阐明钙砂静疲劳的微观结构起源和演化，采用了先进的声发射（AE）监测技术。AE是一种强大、实时、原位的方法，用于捕获由微观损伤事件（如裂纹萌生、扩展、颗粒间摩擦和颗粒破碎）产生的弹性波，至关重要地提供了颗粒尺度渐进破坏的直接洞察[10]、[11]。分析关键声发射参数（如命中率、峰值频率和波形频谱）可以定量描述不同阶段的损伤活动，并区分相关的微观力学行为[12]、[13]。最近的研究表明，钙砂在静疲劳荷载下表现出三阶段AE特征[7]：第一阶段以低频、高振幅事件为特征，对应颗粒间滑动；第二阶段涉及频谱拓宽，表明裂纹扩展；第三阶段由高频率突发信号组成，预示宏观破坏。

声发射（AE）b值[14]是岩石力学中广泛使用的关键参数，用于表征裂纹破裂尺度和应力状态[15]。然而，它在钙砂静疲劳分析中缺乏系统研究。监测其时间演化可为疲劳破坏预警提供定量依据，通过反映从分散微裂纹到集中宏观不稳定性的损伤转变。同时，高速摄影提供了颗粒损伤演化微观动力学过程的视觉洞察[16]，从而弥合了宏观力学测试与微观机理研究之间的分析差距。

尽管石英砂在颗粒破碎和短期荷载下已被广泛研究，但其相对较高的颗粒强度意味着在低持续应力下几乎不发生渐进颗粒破碎。相比之下，钙砂由于其颗粒内孔隙、生物成因碳酸盐组成和固有微缺陷，即使在相对较低的应力水平下也表现出明显的时间相关疲劳损伤。因此，关键科学问题不是两种颗粒材料的简单比较，而是阐明高破碎颗粒的独特疲劳损伤演化机制。此外，声发射（AE）提供了一种独特的手段，用于连续捕获静疲劳过程中内部缺陷的演化，这对于多接触荷载下的易破碎颗粒材料的研究很少被探索。本研究聚焦于多接触条件（CN $=$ 2$～$8）下钙砂颗粒的静疲劳特性，重点研究：(1) 颗粒形态（片状、块状和纺锤状）和配位数（CN $=$ 2$～$8）对宏观静疲劳响应的影响，具体包括时间-位移演化、断裂强度、承载能力和应力分散。(2) 利用声发射（AE）多参数（峰值频率、命中率和b值）进行微观退化表征，以识别损伤阶段以及形状和CN对AE响应特征的耦合效应，从而实现静疲劳过程中微损伤演化的动态追踪。这些发现为持续荷载下钙砂的长期变形和破坏机制提供了关键的微观力学见解，从而支持结构实时预警系统的开发。

章节摘要

试验材料与形态表征

钙砂试样采自南海某岛礁表层沉积物。首先通过标准筛对颗粒进行筛分，获得$2～3\mathrm{mm}$的窄粒径范围，允许$\pm 0.1\mathrm{mm}$的尺寸公差以确保均匀性。手动排除异常和有缺陷的颗粒以最大限度减少样品变异性。按照Blott和Pye[17]提出的颗粒形态分类方法，合格颗粒被分为三种典型形状：

颗粒形态对静疲劳行为的影响

钙砂颗粒的形态异质性，特别是其块状、纺锤状和片状形态，显著控制其静疲劳行为，导致时间-位移响应和损伤演化模式的系统性变化。

块状颗粒表现出最稳定、渐进的变形特性。在初始阶段（0-2天），位移累积缓慢（$<$0.1 mm），对应颗粒重排和摩擦

AE命中率演化及其预警潜力

声发射（AE）命中率的时间演化，定义为每单位时间的有效AE事件数，遵循不同的普遍模式。其动态特性受颗粒形状和配位数的共同调制。

结论

本研究利用静压缩试验、声发射（AE）监测、高速摄影和X射线计算机断层扫描（CT）成像，系统研究了在$10\text{N}$恒载和配位数（$CN$）范围$2\text{–}8$下各种形状钙砂颗粒的静疲劳特性和损伤演化机制。主要结论总结如下：

1. 颗粒形态决定静疲劳力学行为。由于高

作者贡献声明

Li Bo（李博）：验证、方法论、概念化。Wu Yifei（吴一飞）：撰写-原始稿、验证、数据整理。Chen Jueliang（陈杰亮）：撰写-审阅与编辑、撰写-原始稿、验证。Lacidogna Giuseppe：撰写-审阅与编辑、可视化。Fang Chuanfeng（方川丰）：撰写-审阅与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（51978531）、温州市科技计划项目（ZG2023003, ZZN2024002）、温州市基础研究项目（L20240005）和智能深部金属开采与装备国家重点实验室（IDMEKFJJB07）的支持。本工作是在"多物理场智能计算力学国际合作基地"框架下完成的。

李博|吴一飞|陈杰亮|Giuseppe Lacidogna|方川丰