钙质砂广泛分布于我国南海区域,是吹填造陆的重要材料。特殊生物成因的钙质砂基本保留了原生生物骨架中的内孔隙,具有形状极不规则、颗粒强度低、质脆易破碎等特点,即使是在低应力水平下,钙质砂也会产生较显著的颗粒破碎,这使得钙质砂的力学特性相比于普通的陆源硅质砂有显著差异。对取自我国南海西沙群岛某岛礁的钙质砂开展了一系列三轴试验和循环三轴试验,系统研究了钙质砂的应力应变特性、强度特性以及临界状态,对比了钙质砂和硅质砂力学行为的差异,阐述了钙质砂颗粒破碎的影响因素及典型特征,建立了三轴应力路径、循环三轴应力路径下颗粒破碎演化规律的数学描述。主要研究内容如下:(1)对钙质砂开展了三轴排水剪切试验和三轴不排水剪切试验。在单调剪切条件下,随着围压的增大,峰值应力比逐渐减小,峰值应力比对应的轴向应变逐渐增大,应力应变关系由软化型向硬化型过渡。不排水条件下应力比的发展速度较排水条件下更快。峰值摩擦角和临界状态摩擦角都随着围压的增大而减小,且排水剪的峰值摩擦角和临界状态摩擦角均大于不排水剪的相应摩擦角。通过对比不同相对密实度试样的初始孔隙比和最终孔隙比的分布情况,证实了颗粒破碎导致钙质砂临界状态发生改变的事实。(2)基于一系列不同轴向应变下的三轴剪切试验结果,阐述了颗粒级配的发展规律,总结了颗粒破碎的形式及其影响因素。在三轴应力路径下,考虑围压和轴向应变对颗粒破碎的影响,建立了三轴排水剪切试验中颗粒破碎演化过程的数学描述,预测了三轴不排水剪切试验中颗粒破碎的发展趋势。此外,通过比较钙质砂和硅质砂的应力应变特性,证实了钙质砂在排水、不排水条件下应力应变曲线发展轨迹的差异是由颗粒破碎引起的。(3)在循环三轴应力路径下,考虑围压、循环应力比以及循环振次对颗粒破碎的影响,建议了一个可以描述颗粒破碎在不同围压和轴向动应变幅值的循环剪切作用下演化过程的数学模型。更进一步地,基于排水条件下颗粒破碎演化过程的数学模型,预测了循环三轴不排水剪切试验中颗粒破碎的发展趋势。对比试验中的实测数据与模型的预测结果,二者吻合较好,证明了该数学模型的有效性。