我国南海海域及附近岛屿均为钙质砂分布区域,随着油气资源开发和国防建设需要,钙质砂层成为工程活动的载体,开展钙质砂力学性质的研究,具有重要的理论和应用价值。当前针对无胶结的钙质砂力学性质的研究方面已取得大量成果,但对胶结钙质砂的力学性质的研究较为缺乏。本文以南沙某岛礁坪上的钙质砂为试验材料,开展松散钙质砂、水泥胶结钙质砂和石膏胶结钙质砂的室内土工试验及微结构测试。详细研究了钙质砂的胶结微结构特性、胶结机理、剪胀缩特性、颗粒破碎和弹塑性本构模型。主要结论如下:(1)核磁共振试验发现孔隙体积随养护龄期和胶结剂含量增加而减小的规律。定义了表示当前总孔隙相对于初始养护龄期和胶结剂含量的总孔隙比值,用以计算相对孔隙比,得到养护龄期为影响强度的主要因素和存在最佳胶结剂掺量,建立了孔隙体积与强度的关系。(2)试样中孔隙随养护龄期和胶结剂含量增加而被水化产物填满,水化产物半渗透胶状凝胶膜层随养护龄期增加而硬化成网状结构空间(结构锁定强度),相对孔隙比减小。待水化完成后形成柱-网状结构胶结产物(联结强度)。(3)钙质砂的胶结特性受胶结剂含量、养护龄期、围压和干密度影响。胶结钙质砂的峰值应变与最大剪胀应变不同;当胶结剂掺入量较少时,石膏的强度提升优于水泥;当围压足够大时,抵抗外力主要是材料本身。(4)胶结钙质砂的荷载承载能力随着养护龄期、胶结剂含量和干密度增加而增大,表现在割线模量上增长了近0.5-90倍。抗剪强度峰值点破坏包线可用上凸曲线方程描述,内摩擦角几乎不变,而内聚力最高增加了3.23倍。脆性指数随胶结剂含量增加而增大,从塑性破坏向脆性破坏转变。(5)在切线模量中引入应力比与峰值应力比的比值,隐性考虑颗粒破碎的影响,修正了切线模量公式,推导了切线体积比公式,得修正的南水模型。可合理描述钙质砂的应力应变曲线。(6)给出了确定屈服面的方法,归纳了曲线型破坏准则,结合考虑颗粒破碎的切线模量与切线体积比,通过正交流动法则推导了可准确描述胶结钙质砂峰值强度前的变形和强度的双屈服面模型。(7)推导同时考虑养护龄期和胶结剂含量的强度预测模型,发现模型计算与试验数据吻合度高。代入相对孔隙比与养护龄期的关系公式,明确了孔隙空间与强度的关系。对比不同强度预测模型,发现本文模型误差更小。