砂粒粒径对洁净砂土液化抗性的能量法评估：粒径效应与能量耗散机制

本研究针对地震工程中砂土液化抗性评估的瓶颈问题，通过54组循环单剪试验（CSSTs），系统探究了粒径参数D50（0.252–3.118 mm）对洁净砂土能量耗散特性的影响。研究发现，D50每增大11.37倍，液化触发累积耗能降低88.89%（4.50→0.50 kJ/m3），揭示了粗颗粒砂土在相同相对密度（Dr=52%）下更易液化的机制。成果为基于能量法（EBM）的砂土液化预测提供了粒径效应的定量依据。

　　

地震灾害中，饱和砂土的液化现象常引发地基失效、建筑物倾覆等次生灾害。传统液化评估方法如循环应力法（Seed和Idriss提出）和循环应变法存在应力路径依赖性强、计算复杂等局限。尽管能量法（EBM）通过标量化的应变能密度（即单位体积耗能W_liq）整合了应力-应变双因素，但粒径参数D₅₀对洁净砂土能量耗散的影响机制尚未系统阐明，尤其缺乏D₅₀>0.5 mm粗颗粒砂土的实验数据。

为填补这一空白，研究人员开展了54组应力控制式循环单剪试验（CSSTs），选用六组D₅₀（0.252–3.118 mm）的河砂，在中等相对密度（D_r=52%）下，测试不同竖向有效应力（σ′_v0=100–300 kPa）和循环应力比（CSR=0.06–0.10）下的液化行为。通过量化滞回曲线包围面积计算W_liq，结合颗粒接触理论，揭示了粗颗粒砂土的能量耗散规律。相关成果发表于《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》。

关键技术包括：

1. 循环单剪试验（CSSTs）模拟地震荷载，优于传统三轴试验（CTXT）的应力分布均匀性；
2. 能量法（EBM）计算滞回环累积耗能W_liq；
3. 六组级配砂样（A1–A6）的粒径控制，覆盖0.252–3.118 mm的D₅₀范围。

Contact conditions due to the particle sizes
通过理想球形颗粒接触模型（图1）阐明：粗颗粒（如A6组，D₅₀=3.118 mm）接触点数量显著少于细颗粒（A1组，D₅₀=0.252 mm），导致滑动和旋转时能量耗散效率降低。

Calculation of dissipated energy
基于非对称应力-应变滞回环（图4），推导出W_liq为液化触发前所有循环的累积积分面积，其值随D₅₀增大呈幂律下降。

The main findings of the CSSTs
表3数据显示：D₅₀从0.252 mm增至3.118 mm时，W_liq降幅达88.89%；相同σ′_v0下，CSR每提高0.02，W_liq降低约30%。

The effect of different parameters on the dissipated energy
粗颗粒砂土（D₅₀>1 mm）的W_liq对σ′_v0变化更敏感，如A6组在σ′_v0=300 kPa时的W_liq仅为A1组的12%。

Suggesting a correlation relationship for the dissipated energy
提出幂函数模型（式2）：W_liq=0.017(σ′_v0)^0.45(D₅₀)^-1.38，R²=0.94，为工程实践提供预测工具。

Conclusions
研究证实：粗颗粒砂土因接触点少、渗透性高，在相同D_r下更易液化；建立的W_liq-D₅₀-σ′_v0关系模型，为能量法评估粗砂地基液化风险提供了实验依据。

该成果突破了传统液化研究聚焦细砂（D₅₀<0.5 mm）的局限，揭示了粒径效应的非线性特征，对地震区粗颗粒填方工程的抗震设计具有指导意义。作者Mehrdad Biabani、Jahangir Khazaei和Yazdan Shams Maleki声明无利益冲突。