静剪应力与组构各向异性耦合作用下砂土循环液化特性的离散元研究

针对自然沉积砂土在非对称循环荷载下的液化风险预测难题，研究人员通过离散元法(DEM)模拟了不同组构方向(垂直/水平)试样在宽范围静剪应力比(α)下的不排水循环三轴试验。研究发现：组构方向会逆转静剪应力对液化抗力的影响规律，水平试样在正α下更易液化；提出以接触法向组构变量与静剪应力张量联合不变量为统一评价指标，揭示了组构反转是液化触发的微观标志。成果为构建考虑组构-应力耦合效应的本构模型奠定基础。

　　

在海岸带和近海工程中，饱和砂土在地震或波浪荷载作用下发生的液化现象常导致灾难性后果。传统研究多基于各向同性或垂直沉积试样，采用对称循环荷载(零静剪应力)条件，而自然界砂土普遍存在组构各向异性且承受非对称荷载。尤其当荷载方向与沉积组构方向存在夹角时，其液化特性可能发生根本改变，这一关键科学问题长期缺乏系统研究。

中国国家自然科学基金委和山东省自然科学基金资助的研究团队通过离散元法(DEM)开展创新性探索。研究人员采用含滚动-扭转阻力的三维接触模型，制备了垂直(θ=0°)和水平(θ=90°)沉积的椭球颗粒试样，模拟了压缩/拉伸静剪应力比(α)从-0.3到0.3的宽范围不排水循环三轴试验。研究发现：垂直试样在负α下更易液化，而水平试样在正α下液化更快——这一现象颠覆了传统认知。通过追踪接触法向组构变量(FAV)演化，首次发现无论静剪应力如何变化，初始液化总发生在FAV由负转零时，且必然伴随组构方向的反转过程。研究创新性地定义了融合静剪应力比张量与偏组构张量的联合不变量，成功建立了与破坏循环次数的唯一性关系。该成果发表于《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》，为发展考虑组构-应力耦合效应的新一代液化本构模型提供了理论支撑。

关键技术方法包括：(1)采用PFC3D软件平台构建含滚动刚度k_r和扭转刚度k_t的椭球颗粒体系；(2)通过伺服控制实现不排水条件；(3)量化机械配位数Z_m、冗余指数RI等微观参数；(4)定义组构各向异性变量FAV=2(φ_c-33°)/27°表征接触法向演化。

【有效应力路径与超孔隙水压力】

压缩型静剪应力(α>0)促使应变向压缩方向发展，水平试样此效应更显著。当α超过阈值α_th时，液化抗力随α增大而降低，该阈值与状态参数呈负相关。

【微观结构指标】

冗余指数RI可脱离初始各向异性影响，成为普适性液化微观判据。液化触发时刻与接触网络重构直接相关：当活跃接触比例降至35%-40%时，体系失去稳定性。

【结论与意义】

研究突破了传统各向同性液化理论的局限，揭示组构方向会逆转静剪应力的影响规律。提出的联合不变量成功统一了不同组构试样的液化抗力评价标准，弥补了ACST(各向异性临界状态理论)在循环荷载下的应用空白。发现的FAV相变规律为液化预警提供了微观依据，对近海风电基础、海底管线等重大工程的抗震设计具有重要指导价值。