饱和珊瑚砂在循环荷载下的能量基孔隙水压力-体积应变耦合增量模型研究

本研究针对海洋环境中珊瑚岛礁稳定性评估的关键科学问题，通过开展南海珊瑚砂的应力控制排水/不排水循环试验，系统研究了非塑性细粒含量(FC)、相对密实度(Dr)和循环应力比(CSR)对饱和珊瑚砂孔隙水压力(ue)和体积应变(εvp)的影响规律。创新性发现εvp存在循环稳定和循环蠕变两种发展模式，并基于累积耗散能量建立了ue-εvp的反正切函数关系模型，为珊瑚砂地基的动力响应评估提供了新方法。

　　

在热带海洋环境中，珊瑚砂作为岛礁建设的主要填料，其动力稳定性直接关系到港口、机场等关键基础设施的安全。然而，这种由海洋生物遗骸形成的特殊岩土介质，因其多孔、易碎、高压缩性的特点，在波浪、风暴潮等循环荷载作用下极易发生液化破坏。历史上，1969年飓风Camille引发的海底液化和2007年巴塞罗那港防波堤损毁等事故，都凸显了研究珊瑚砂动力响应的紧迫性。

为系统评估珊瑚砂的力学行为，研究人员开展了系列创新性实验。通过应力控制的排水/不排水循环三轴试验，精确测量了不同FC、D_r和CSR条件下饱和珊瑚砂的孔隙水压力发展和体积应变累积规律。试验采用干沉积法制备直径50mm、高100mm的试样，通过逐步反压饱和法确保试样饱和度≥97%，并在100kPa初始有效固结围压(σ'_m)下进行各向同性固结。

研究首先揭示了体积应变发展的双模式特征：当潜在损伤系数(DP)与CSR乘积小于0.05时呈现循环稳定模式，大于0.05时则转为循环蠕变模式。这一发现通过DP×CSR-D_r框架建立了应变发展模式的判定标准。

在孔隙水压力研究方面，创新性地引入累积耗散能量(W)作为关联因子，发现不同条件下u_e与ε_vp遵循arctan(m·nε_vp)的函数关系。模型参数分析显示：m随CSR增大而增大，但随D_r或FC增加而减小；n则呈现相反趋势。通过多元回归建立了参数与孔隙比(e)的幂函数关系：CSR^α×m^D_r=√3/2·e^0.6，CSR^1-α×n^D_r=√3/5·e^-2.6（取α=0.2）。

基于能量转换理论，研究最终构建了耦合增量模型：Δu_e=100mnσ'_mΔε_vp/(1+tan²(r_u/m))，其中体积模量E_b的表达式为模型核心创新点。该模型突破了传统Seed模型和双曲线模型的局限，可直接应用于不规则荷载工况下的孔隙压力预测。

这项研究的重要意义在于：首次系统阐明了珊瑚砂在循环荷载下的能量耗散机制与变形模式转变规律；建立的u_e-ε_vp耦合模型为珊瑚砂地基的液化风险评估提供了量化工具；参数与孔隙比的普适关系为不同地质条件下模型应用提供了标准化方法。研究成果发表于《Applied Ocean Research》，对提升热带海洋工程抗震设计水平具有重要实践价值。