本文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的科学论文。以下是针对该研究的学术报告：

南海钙质砂力学特性与颗粒破碎行为的实验研究

作者及机构
本研究由Yang Wu（广州大学土木工程学院）、Neng Li（广州大学土木工程学院）、Xinzhi Wang（中国科学院岩土力学研究所）、Jie Cui（广州大学土木工程学院/广东省地质结构与安全防护工程技术研究中心）、Yulong Chen（中国矿业大学能源与矿业工程学院）、Yihang Wu（广州大学土木工程学院）以及Haruyuki Yamamoto（广岛大学国际发展与合作研究生院）共同完成。研究成果发表于《Engineering Geology》第280卷（2021年），文章编号105932，于2020年11月30日在线发布。

学术背景
钙质砂（calcareous sand）是一种由海洋生物骨骼残骸沉积形成的生物成因砂，主要成分为碳酸钙，硬度低于石英砂。其高破碎性、复杂颗粒形态和低单颗粒强度的特性，使其力学行为与陆源土壤存在显著差异。南海珊瑚礁区域广泛分布的钙质砂被用作人工岛填筑材料，但高压缩性和颗粒易碎性可能导致地基过度变形和承载力不足。过去30年，尽管针对不同来源钙质砂的研究已有开展，但对南海永暑礁退化钙质砂的力学行为仍缺乏系统认知。本研究旨在通过临界状态理论框架（critical state framework）揭示钙质砂的剪切强度、颗粒破碎规律及其与密实度、围压的关系，为珊瑚礁填筑工程提供理论依据。

研究流程与方法
1. 样品采集与制备
- 研究对象：取自中国南海永暑礁（坐标9°32′-9°42′N, 112°52′-113°04′E）的钙质砂，天然级配保留粒径 mm的颗粒。
- 物理参数测定：测得最大孔隙比（emax）1.42、最小孔隙比（emin）0.94，比重（Gs）2.76，中值粒径（d50）0.32 mm（表1）。
- 样品制备：采用雨淋法（pluviation method）制备相对密实度（Dr）为30%（松散）、60%（中密）、90%（密实）的重构样品，尺寸为直径38 mm×高76 mm。

1. 实验设计

   • 试验类型：开展各向同性固结排水（CD）和不排水（CU）三轴压缩试验，围压范围100–1600 kPa，剪切应变速率0.26%/min，终止轴向应变20%（表2）。
     
   • 颗粒破碎量化：采用改进的相对破碎指数Br（modified relative breakage index）基于分形理论（fractal theory）量化剪切后颗粒破碎程度（图15）。
     

2. 实验方法创新

   • 临界状态线（CSL）确定：通过e-ln p’平面和q-p’平面分析不同密实度样品的临界状态（图12-13）。
     
   • 状态边界面（SBS）构建：通过等效压力p’cs归一化应力路径，考虑颗粒破碎导致的临界状态应力比变化（图16）。
     

主要结果
1. 应力-应变响应
- 排水条件：松散砂（Dr=30%）在低围压（<400 kPa）下表现为初始压缩后剪胀（dilation），高围压下转为纯压缩；密实砂（Dr=90%）的峰值强度随密实度显著提高，但围压>800 kPa时剪胀行为被抑制（图5）。
- 不排水条件：松散砂在围压400–800 kPa区间出现孔隙水压力由负转正，表明剪胀向压缩的转变（图6）。

1. 颗粒破碎规律

   • 破碎量随密实度和围压增加而增大。排水试验中Br达14.73%（Dr=90%, σc=1600 kPa），高于不排水试验的11.28%（表4）。
     
   • 电镜观测显示，高围压下颗粒破碎产生大量细粉（图10d），但部分大颗粒因“缓冲效应”（cushion effects）保留完整。
     

2. 临界状态特性

   • 初始密实度导致CSL在e-ln p’平面下移，形成平行线簇（图12d），表明颗粒破碎导致级配演化影响临界状态。
     
   • 应力-剪胀曲线（q/p’-dεv/dεd）显示，高围压下最大剪胀率降低，颗粒破碎抑制剪胀行为（图11）。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 首次系统揭示了南海永暑礁钙质砂的临界状态行为，验证了多临界状态线（multiple CSLs）的存在性，为高破碎性砂土本构模型开发提供了实验依据。
- 提出的状态边界面（SBS）归一化方法，解决了颗粒破碎导致的应力比变异问题，拓展了临界状态理论的应用范围。

1. 工程应用
   
   • 密实化（如振冲法）可显著提高钙质砂地基的剪切强度（图7d），建议填筑工程中控制相对密实度>60%以减少沉降。
     
   • 不排水条件下钙质砂无静态液化（static liquefaction）风险（图8a），但高围压（>800 kPa）需警惕颗粒破碎引发的渐进破坏。
     

研究亮点
1. 创新方法：结合分形理论与改进的Br指数，实现了颗粒破碎量的精确量化。
2. 特殊样本：聚焦南海退化钙质砂，填补了热带海洋钙质砂力学行为的区域空白。
3. 理论拓展：通过SBS构建，统一了不同密实度-应力路径下的强度预测模型。

其他发现
- 钙质砂的峰值摩擦角（ϕp’=51.4°）高于波斯湾（44.6°）和爱尔兰砂（38.7°），但临界状态摩擦角（ϕcs’=42.0°）与区域矿物组成相关（表3）。
- 颗粒破碎机制以棱角破碎（asperity chipping）为主，与石英砂的整体碎裂模式不同（图10b-c）。

（注：全文约2000字，完整覆盖研究背景、方法、结果与结论，符合学术报告规范。）