主应力轴旋转下珊瑚砂颗粒破碎特性与能量耗散模型研究

本研究针对岛礁建设中珊瑚砂在复杂应力路径下的颗粒破碎问题，通过三轴试验和主应力轴旋转试验，揭示了珊瑚砂的非共轴特性及破碎演化规律，创新性地建立了考虑颗粒非均匀性的破碎能量模型（Bag），预测误差<5%，为岛礁工程稳定性设计提供了理论支撑。

　　

珊瑚砂作为岛礁建设的关键材料，其独特的生物成因和孔隙结构导致颗粒强度低、形状不规则，在波浪荷载等复杂应力条件下易发生破碎。这种破碎不仅改变材料的物理性质，更会显著影响工程结构的稳定性。然而，现有研究多关注常规三轴条件下的破碎特征，对主应力轴旋转这种实际工程中常见的复杂应力路径关注不足，且缺乏考虑珊瑚砂颗粒非均匀性和不规则性的理论模型。

华侨大学隧道与地下空间福建省工程技术研究中心的研究人员通过系统的实验和理论建模，揭示了珊瑚砂在主应力轴旋转作用下的破碎机制。研究采用GDS DYNTTS三轴系统进行常规剪切试验，结合GDS-HCA空心圆柱仪实现主应力轴旋转（α=1°/min），通过扫描电镜（SEM）表征颗粒形貌，采用改进的Marsal破碎指数（B_ag）定量分析不同围压（P_cc=100-300 kPa）和密实度（D_r=50%-80%）条件下的颗粒破碎特征。

研究结果部分：

1. 应力-应变曲线与颗粒破碎规律

   三轴试验显示珊瑚砂在D_r=65%时强度提升最显著（增幅达31%），体积应变呈现先剪胀后压缩的特征。颗粒破碎主要发生在0.6-1.18 mm粒径范围，新生<0.075 mm细颗粒占比达3.7%。

2. 主应力轴旋转下的破碎特性

   空心扭转试验表明，主应力轴旋转主要导致"研磨型"破碎（体积比<0.01%），密实度增加使剪切应变峰值降低（D_r=80%时为0.12%），而围压升高会加剧颗粒破碎（B_ag值提升35%）。

3. 能量耗散模型的建立

   创新性地通过应变分解法量化非共轴度（f=0.18-0.28），建立考虑临界应变比（D_cr=0.20-0.26）的破碎能量模型：B_ag=M_b(1+exp(-f·ε_s^p))/[(1-1/3D_cr)·ln(P_cc/q)]·ln(P/P₀)，其中材料参数M_b=1+tan(45°+φ_f/2)·exp(-D_r)。

该研究首次将珊瑚砂颗粒的非均匀性通过非共轴特性量化，建立的模型在预测主应力旋转条件下的颗粒破碎时平均误差<5%。当将该模型嵌入本构关系时，对第一、三主应力方向体应变的预测精度提升30%。研究成果为岛礁工程中珊瑚砂地基的密实度设计（推荐D_r≥65%）和围压控制提供了理论依据，同时提出的能量分解方法为其他非均匀颗粒材料研究提供了新思路。未来研究需进一步考虑多周次主应力旋转的累积破碎效应。论文发表在岩土工程领域权威期刊《Soils and Foundations》。