珊瑚砂在固结不排水条件下的级配与相对密度对剪切特性及颗粒破碎的耦合影响机制

本文通过固结不排水（CU）三轴剪切试验，系统研究了南海珊瑚砂的级配（PSD）与相对密度（Dr）对剪切强度、模量及颗粒破碎（ΔM）的协同作用。研究发现宽级配材料因颗粒互锁增强剪切强度，而窄级配因局部应力集中导致更高颗粒破碎率，并首次提出临界粒径（dc）动态平衡概念，建立的D50-Dr-φ′预测模型为珊瑚砂地基设计提供理论依据。

　　

Highlight

本研究揭示了珊瑚砂在海洋工程中的关键力学行为：级配与相对密度的"双刃剑"效应——宽级配提升剪切强度，窄级配加剧颗粒破碎，1-2 mm粒径被锁定为级配调控的"黄金分割点"。

Material

南海珊瑚砂在吹填工程中呈现独特的级配分化：水力分选使粗颗粒近泵沉积，细颗粒远漂，而多孔特性（CaCO₃含量92.3%）使其在应力作用下产生"破碎-细粒再生"的动态博弈。

Stress-strain results

实验发现围压（100-400 kPa）与相对密度（30%-70%）的"二重奏"效应：低密度样本呈现应变软化"脆性舞曲"，高密度样本则跳起应变硬化"圆舞曲"，且宽级配组的峰值偏应力比窄级配高18%-23%。

Particle breakage index

采用Hardin破碎指数B_r=B_t/B_p量化颗粒破碎时，发现D₅₀与ΔM存在"微笑曲线"关系——当D₅₀≈1.5 mm时破碎率最低，如同找到了珊瑚砂的"力学舒适区"。

Discussion

三大创新点亮研究：1）首次绘制级配-密度"耦合图谱"；2）建立φ′=f(D₅₀,D_r)抛物线预测模型；3）提出临界粒径d_c的"破碎平衡点"理论，为珊瑚砂地基设计装上"导航仪"。

Conclusions

1）珊瑚砂剪切强度随D₅₀增大呈"抛物线型"变化，在1-2 mm处存在"甜蜜点"；

2）宽级配样本的破碎能阈值比窄级配高35%，如同穿上"防弹衣"；

3）建立的D₅₀-D_r-φ′模型预测误差<5%，堪称珊瑚砂力学行为的"解码器"。