随着南海交通事业的日益发展,交通工具传递给以钙质砂填筑的交通基础设施地基的循环荷载呈现重载化和高速化趋势,这将加剧钙质砂填料的变形累积与服役性能劣化,影响行车的舒适性及安全性。相比陆源硅质砂,由海洋生物沉积形成的钙质砂具有颗粒形状不规则且受荷易破碎的力学特点,其在交通荷载下的长期动力特性与硅质砂截然不同。因此,为保证钙质砂地基中的结构物在服役期内的安全稳定,开展饱和钙质砂填料在交通循环荷载作用下长期动力特性和颗粒破碎的研究,建立钙质砂地基的长期沉降预测理论已是一项紧迫的科学任务。本研究对南海一带的饱和钙质砂开展了一系列静三轴和长期循环三轴试验,揭示复杂应力路径下钙质砂填料的静力和长期动力特性,通过对循环加载后的钙质砂试样开展核磁共振试验,考察了钙质砂试样的微观孔隙结构演化规律,进一步提出了钙质砂累积应变弹塑性显式计算模型,并将其二次开发入有限元软件中,建立了某钙质砂机场跑道地基工程在交通荷载下的长期沉降数值分析模型。主要工作及创新成果如下:（1）对钙质砂开展三轴排水和不排水剪切,研究初始平均有效应力、孔隙比和应力诱导固结各向异性对于钙质砂静剪切特性的影响。结果表明钙质砂在p’-q平面和e-（p’/pa）0.7平面均存在一条唯一的线性临界状态线,而与各向异性固结和排水条件无关。在不排水剪切中,与石英砂不同,钙质砂在达到临界状态之前沿着p’和q快速增加的非流动应力路径达到“伪稳态”,随后沿着p’和q同时降低的应力路径达到临界状态。“伪稳态”定义了从高剪胀性主导的非流动响应到颗粒破碎主导的应力软化响应的过渡状态。在排水剪切中,各向异性程度对峰值或相变状态下的应力比有显著影响,并可用状态依赖的概念表征。（2）对K0和等向固结的密实钙质砂开展了Δq/Δp’=2、常规压缩、等p压缩、减p压缩和卸荷应力路径下的三轴排水剪切试验。研究发现在不同固结和剪切应力路径下,钙质砂的相对颗粒破碎指标与剪切中的总输入功之间存在唯一的双曲线函数关系。随着剪切路径顺时针偏转和初始平均有效应力的增加,由于钙质砂颗粒破碎增大,钙质砂的峰值状态摩擦角φpk和临界状态摩擦角φcs均减小。钙质砂的φpk和φcs与相对颗粒破碎指标呈负相关。钙质砂在p’-q平面和e-（p’/pa）0.7平面中均存在唯一的线性临界状态线,与初始固结应力路径和剪切应力路径无关。在本研究的初始平均有效应力水平范围内（50～1000k Pa）,钙质砂产生的颗粒破碎不会导致p’-q和e-（p’/pa）0.7平面内的临界状态线发生明显的移动或旋转,但是会导致p’-q平面中的峰值状态线随平均有效应力增加而明显向下弯折。（3）通过单向长期排水循环三轴试验,研究了初始平均有效应力、循环应力比、孔隙比和应力诱导各向异性对于钙质砂长期动力特性的影响。结果表明孔隙比和各向异性的增大导致钙质砂轴向累积应变显著增加。长期循环荷载作用下,密实钙质砂先剪缩后剪胀,在e-（p’/pa）0.7平面上存在相变状态线,且无论应力条件和初始孔隙比如何,钙质砂的相对颗粒破碎指标和总输入功之间存在唯一的双曲线函数关系。钙质砂在长期循环荷载下的剪胀行为导致试样同时形成较大的孔隙结构和较小的孔隙结构。随着应力水平的增加,由于颗粒破碎和压缩变形的增加,剪胀形成的较小孔隙被研磨破碎产生的细颗粒填充并消失。（4）对密实钙质砂试样在不同循环荷载频率条件下开展长期排水循环三轴试验,探究交通荷载频率对于钙质砂长期动力特性的影响。研究表明荷载频率的增加会导致钙质砂轴向累积应变和颗粒破碎的增加。循环应力比越高,钙质砂的变形行为对循环荷载频率越敏感。荷载频率的增加导致安定性行为显著劣化,因此提出了不同荷载频率下适用于钙质砂的更精确的安定行为判别边界。此外,荷载频率的增加可以提高钙质砂的回弹模量。（5）对密实钙质砂开展常围压和变围压条件下的长期排水循环三轴试验,研究交通荷载引起的竖向和水平向耦合振动路径下钙质砂的长期动力特性。结果表明在低循环应力比下,变围压路径略微增加了累积应变,而在高循环应力比下,变围压路径显著抑制累积应变的产生。循环围压的施加导致钙质砂在剪缩阶段的剪缩量增大,从而导致大孔隙结构消失。此外,随着循环围压幅度的增加,钙质砂的回弹模量显著降低,阻尼比显著提高。（6）基于循环三轴试验结果和塑性增量理论,引入分数阶流动法则和控制荷载频率影响的函数,建立了考虑钙质砂复杂剪胀性和颗粒破碎影响的累积应变显式计算模型（HCA模型）,并且提出了基于模拟退火算法的HCA模型参数全局优化校正方法,模型的计算结果与实测值吻合较好。在此基础上,将HCA模型二次开发嵌入有限元软件中,建立了某钙质砂机场跑道地基工程在百万次交通荷载下的数值模型,采用隐式和显式算法结合来实现钙质砂地基的长期沉降计算,通过对子程序的进一步二次开发实现了土体刚度在循环加载中随土体状态实时的变化,并且根据土体刚度的变化,更新循环加载中土体应变幅度的变化。基于有限元计算,系统地分析了钙质砂地基的长期沉降行为和关键影响因素。