高内摩擦角珊瑚砂地基剪切破坏面与承载力计算模型

研究人员针对Terzaghi等经典地基承载力理论通常需预设剪切破坏面的局限性，指出珊瑚砂内摩擦角可达35–55°，其实际剪切破坏机制可能与经典假定存在显著差异，进而影响承载力计算精度。为揭示高内摩擦角珊瑚砂地基的剪切破坏特征与承载机理，研究人员构建了平面应变条件下的大尺寸加载试验平台，结合土体光纤变形监测系统，对分级加载下珊瑚砂地基的承载力特性、剪切破坏形态及力学机制开展研究。结果表明：当珊瑚砂相对密度Dr达到0.8时，地基极限承载力超过3600 kPa，挑战了珊瑚砂地基承载力普遍偏低的传统认知。但在高应力水平下，珊瑚砂颗粒发生显著破碎，导致地基土无法形成一般剪切破坏所需的土体刚度；随着荷载增加，基础下方珊瑚砂地基土由初始压密逐渐转变为侧向挤出破坏，塑性区边界逐步向地表扩展直至失稳破坏，与经典一般剪切破坏模式存在明显偏离。基于光纤变形监测系统实测得到的剪切破坏面及分级加载过程中的应力-变形特征，研究人员提出了适用于珊瑚砂地基的复合剪切破坏分析模型，并推导了相应的极限承载力计算公式。理论预测结果与现场观测吻合良好，可为珊瑚砂地基承载力评估与设计提供可靠参考。

《Soils and Foundations》刊发的该研究聚焦海洋岛礁建设中广泛采用的回填材料——珊瑚砂的地基承载力评价难题。现有工程界常将珊瑚砂视为低承载力、大变形的不利地基，设计时常采用过大的安全储备甚至不必要的地基处理，造成资源浪费。这一认知偏差源于经典承载力理论（如Terzaghi、Vesic公式）所依赖的对数螺旋线剪切破坏面假定，难以适配珊瑚砂高内摩擦角（35–55°）与高压下颗粒易破碎的特殊力学行为。尽管室内试验已证实珊瑚砂内摩擦角显著高于陆源石英砂，理论上应对应更高承载力，但实际高应力诱发的颗粒破碎会削弱土体刚度，使其无法形成经典理论预设的一般剪切破坏模式，导致现有计算方法严重低估真实承载力。为此，研究人员通过开展大型平面应变试验，揭示了高密实珊瑚砂地基的真实破坏机制，建立了更贴合实际破坏模式的承载力计算模型，为优化岛礁工程设计、降低建设成本提供了关键理论支撑。

为开展上述研究，研究人员采用了四项关键技术方法：一是构建3 m×0.8 m×1.8 m的大型平面应变载荷试验基坑，采用分层激振碾压工艺制备相对密度D_r=0.8的珊瑚砂地基试样，试样级配涵盖珊瑚粉至珊瑚砾，与红海及南海现场填筑料级配一致；二是研发基于光纤布拉格光栅（FBG, Fiber Bragg Grating）传感器的分布式土体变形监测系统，将FBG阵列封装于碳纤维条内分层埋入地基，通过波长偏移量反演土体应变场以识别剪切破坏面；三是执行符合ASTM标准的分级加载平板载荷试验，以沉降速率稳定为控制标准，获取压力-沉降（p-s）曲线及极限承载力；四是基于实测破坏面几何特征，结合库伦被动土压力理论，构建“压密-局部剪切”复合破坏力学模型并推导极限承载力解析解。

研究结果部分的主要内容如下：

物理与力学性质：珊瑚砂碳酸钙含量达95%，比重G_s为2.80，有效粒径d₁₀为0.18 mm，平均粒径d₅₀为0.78 mm，不均匀系数C_u为7.56。扫描电镜显示其颗粒呈块状、片状及树枝状，表面粗糙且发育大量孔隙，这种不规则形态增强了颗粒间的咬合作用，使其内摩擦角高达47°，远高于同等密实度的陆源石英砂。理论计算表明，当内摩擦角为45°时，经典理论预测的极限承载力可达3260–5220 kPa，印证了其高承载潜力。

大型平面应变载荷试验：三组试验（两组30 cm宽承压板、一组40 cm宽承压板）均证实，D_r=0.8的珊瑚砂地基极限承载力分别达到3420 kPa、3680 kPa及超过3220 kPa。p-s曲线呈现典型的三阶段特征：弹性阶段（线性）、塑性发展阶段（曲线变陡）及极限破坏阶段（急剧沉降伴随地表隆起）。试验未达破坏上限即终止的40 cm板试验，其承载力仍远超经典理论值。

剪切破坏面特征：光纤监测数据表明，剪切破坏主要集中在浅层（0.6 m以上），表现为地表隆起与侧向挤出，深层（0.9 m以下）则以压缩沉降为主，无明显隆起。实测破坏面宽度仅为1.1 m（板宽0.3 m时），远小于Terzaghi模型预测的2.9 m与Prandtl模型预测的3.6 m，且破坏深度约为板宽的2–3倍。这种差异源于高压下颗粒破碎形成的“压密砂柱”效应，阻碍了经典一般剪切破坏所需的长条形塑性区发展。

基于实测破坏面的承载力计算模型：针对实测破坏面与经典理论的偏差，研究人员提出了“冲剪-局部剪切复合破坏模式”。该模型将地基划分为梯形压密核（A'ABB'）与两侧对称楔形体（ABC与A'B'C'），其中压密核在高应力下发生颗粒破碎与竖向压密，侧向挤压相邻楔形体诱发类似挡土墙后的被动破坏。基于此力学机制，引入垂直应力衰减系数a_s（取0.5）与应力扩散角α（取7°），推导了极限承载力计算公式。参数敏感性分析显示，模型对a_s的变化更为敏感。

模型验证与适用性分析：将模型预测值与13组不同来源的试验数据（含模型试验、大型试验及现场试验）对比，结果显示：经典Vesic与Terzaghi公式计算值平均仅为实测值的30%左右，最大误差超300%；而本研究公式的预测值与实测值吻合度极高，尤其适用于D_r≥0.8、φ>45°的珊瑚砂地基。对于密度较低（D_r<0.7）的珊瑚砂，其破坏模式更接近冲剪破坏，该模型不再适用。

结论部分：研究人员总结指出，高相对密度（D_r=0.8）的宽级配珊瑚砂地基极限承载力可超过3600 kPa，颠覆了其低承载力的传统观念。高压下显著的颗粒破碎是导致其无法形成经典一般剪切破坏的根本原因。实测破坏模式为冲剪-局部剪切复合型，破坏区竖向影响深度约2倍板宽，水平影响宽度约3倍板宽。经典理论因沿用对数螺旋破坏面假定，对高密实珊瑚砂地基承载力存在严重低估。本研究提出的复合破坏模型与计算公式，经多源数据验证具有较高可靠性，可为岛礁工程建设提供精准的地基承载力评估依据。