已有研究表明，土的宏觀力學行為較大程度取決於微觀顆粒特徵，如尺寸、形狀和粗糙度，這些是導致其具有特殊工程力學的重要因素。我國南海的珊瑚鈣質砂顆粒具有的不規則形狀、表面粗糙且多稜角、易破碎的特點，使其與常規陸源砂相比具有更為複雜的工程力學特性，珊瑚鈣質砂在加載受力過程中的顆粒破碎和形貌變化特徵對於深化鈣質砂土變形破壞影響機理的認識具有重要意義。
中國科學院武漢巖土力學研究所海洋工程地質學科方向組研究人員與英國布魯內爾大學博士趙濤，利用動態圖像方法對鈣質砂一維壓縮試驗前後顆粒破碎與形貌進行了定量化表徵與分析。該研究採用大尺寸的固結壓力盒（內徑231.6毫米，高度155毫米）對不同形貌鈣質砂顆粒（10-20毫米）開展一維壓縮試驗，並分析試驗前後的顆粒形貌變化。研究表明，粗顆粒在壓縮過程中發生了連續破碎和逐漸細化，使得不同顆粒形狀混合物的壓縮係數幾乎相同。在動態圖像分析中，通過分析顆粒總周長在實驗前後的變化，可以有效地反映與定量化顆粒破碎。顆粒混合物中枝狀顆粒的增多會顯著增加顆粒破碎量，原因是枝狀珊瑚顆粒在壓縮過程中更容易受到局部應力的集中破壞。粗顆粒的破碎會產生大量的細顆粒，其顆粒數量分布特徵呈指數函數，這些細顆粒的形貌比粗顆粒更加細長與平滑。壓縮試驗後的顆粒都趨於光滑和規則球形，特別是球形顆粒比稜角形顆粒表面變得更為光滑。該研究建立了顆粒形貌變化與巖土工程實踐的相關性。
相關研究成果以Quantifying the morphology of calcareous sands by dynamic image analysis為題，發表在International of Journal of Geomechanics上，論文第一作者為武漢巖土所副研究員魏厚振，論文通訊作者為趙濤。研究工作得到中科院戰略性先導科技專項（A類）、國家自然科學基金的支持。
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圖1.態圖像分析系統示意圖
圖2.典型顆粒形貌的動態圖像序列。圖中每一行都是連續的特定顆粒的圖像
圖3.顆粒圖像數位化及各形貌參數定義
圖4.壓縮試驗前後各試樣顆粒等效粒徑的分布對比
圖5.壓縮試驗前後顆粒形狀參數的分布對比
圖6.壓縮試驗前後鈣質砂顆粒球度與凸度關係圖
【來源：武漢巖土力學研究所】
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