在考虑沙粒取向的情况下，评估液化抗力和初始剪切模量

《Soil & Environmental Health》：Evaluating liquefaction resistance and initial shear modulus considering particle orientation of sand

本研究通过三轴试验和光显微镜分析，探讨不同沉积角度（0°、45°、90°）的Toyoura砂土在单次和重复液化过程中的抗液化强度（CRR）及初始剪切模量（G?）变化规律。结果表明：初始沉积角度与CRR呈正相关，90°沉积样本抗液化强度最高；经单次液化后，0°和45°样本的CRR随粒子重排显著提升，而90°样本CRR略有下降，表明粒子定向在液化后趋于一致。研究证实粒子定向是影响砂土抗液化及再液化性能的关键因素。

　　这项研究主要探讨了砂土在不同沉积角度下的液化和再液化机制，并通过三轴试验结合波导元件（BEs）和光学显微镜对砂粒取向进行了分析。研究发现，沉积角度对液化和再液化特性有显著影响。具体来说，对于沉积角度为90°的试样，其液化抵抗（CRR1）较高，而再液化抵抗（CRR2）则表现出下降趋势。相比之下，沉积角度为0°和45°的试样，其再液化抵抗呈现上升趋势。此外，初始剪切模量（G0）也随沉积角度的增加而提高，但在液化后，0°和45°试样的G0出现明显增加，而90°试样的G0仅略有提升，这主要归因于相对密度（Dr）的增加（约2.04–3.05%）。研究还表明，液化会导致砂粒的重新取向，这在0°和45°试样中表现为平均取向角的增加，而在90°试样中则略有减少。这些变化解释了CRR和G0的变化趋势，有助于更好地理解再液化行为。

液化是饱和砂土在动载作用下失去强度和刚度的重要地质现象，对地震安全构成重大威胁。再液化则是在地震多发地区需要重点关注的问题，因为土壤在经历液化后更容易发生重复液化。研究者们通过对1983年日本新潟地震、2010–2011年新西兰基督城地震以及2011年日本东北地震等重大地震的观察发现，液化后的土壤密实度通常不足以防止后续的液化事件。这些发现强调了理解液化历史对后续液化行为影响的重要性。

砂土的固有各向异性是影响液化行为的关键因素之一，这种各向异性源于沉积过程中砂粒的排列。研究表明，固有各向异性会显著影响砂土的变形特性。例如，Le等人通过三轴试验研究了沉积角度对重塑土砂初始剪切模量G0的影响，发现更陡的沉积角度与更高的G0相关，但同时缩小了弹性区域，意味着G0随着剪切应变的增加从更小的应变开始下降。类似的趋势也在非饱和土砂中被观察到。此外，丰田等人还发现，随着沉积角度的增加，排水剪切强度会下降，这与早期研究者如Arthur和Menzies、Oda等人所观察到的剪切强度方向依赖性一致。

固有各向异性对循环加载下的土壤机械响应也有重要影响。理解砂粒取向如何影响各向异性行为，对于明确液化机制和评估地震风险至关重要。研究表明，液化不仅影响砂土的排列，还对其机械性能产生影响。例如，苏泽等人通过三轴液化试验终止后，观察到砂粒长轴倾向于水平排列，这表明液化后砂土的结构变得更加不稳定。循环加载能够增强剪切模量，包括初始剪切模量G0，从而提高液化抵抗。杨等人通过振动台试验发现，砂粒在液化和再沉积后，从初始水平取向转变为垂直取向，形成更不稳定的结构，从而降低再液化抵抗。这些变化影响了砂土的后续机械行为，例如循环加载最初通过破坏土壤结构降低强度，但随后通过密实和重新排列可能增强抵抗。

固有各向异性对液化的影响也与试样制备方法密切相关。杨和Taiebat发现，具有相同空隙比的试样在不同的制备方法下表现出不同的液化抵抗，因为最终的内部结构存在差异。Mele等人进一步通过简单剪切试验证明，在空气喷射制备的试样中，液化后初始水平接触面向倾斜方向转移，表明土壤结构发生了显著的重新取向。Amini和Wang通过空心圆柱试验发现，具有约0.4%应变的预剪切历史可以增强液化抵抗，通过保持初始砂粒结构；而更大的应变（≥2.0%）则会消除结构效应，降低抵抗。

应力历史也被证明对液化和再液化行为有显著影响。丰田等人研究了具有不同应力历史的试样液化和再液化强度，同时测量了G0和变形特性。他们的发现表明，过固结的砂土通过扩大弹性应变区域而不增加G0来提高液化抵抗，而未排水循环加载下的大应变历史则会降低液化抵抗，因为增加了孔隙水压力和大变形，导致弹性区域消失。Prasanna等人通过循环空心圆柱试验发现，液化抵抗受到主应力轴初始取向和应力旋转程度的影响，其中在约45°旋转时，液化抵抗最弱，循环强度下降了10–20%。Sivathayalan等人也研究了主应力旋转对液化的影响，发现当主应力旋转在45°到60°之间时，循环抵抗达到最低值。

近年来，使用离散元法（DEM）进行的数值模拟为理解液化在颗粒尺度上的机制提供了更深入的见解。王和魏发现，循环加载会改变承载结构，导致协调数减少和接触链崩溃。Banerjee等人研究了颗粒均匀性系数（Cu）的影响，发现其作用依赖于相对密度，而临界状态框架仍然可以解释观察到的模式。其他DEM研究则关注力链和土壤结构。黄等人发现，在循环加载过程中，砂土中的强力网络会逐渐减弱直至崩溃，这触发了液化。Salimi等人发现，如果颗粒接触缓慢与加载方向对齐，孔隙水压力会较慢上升，土壤保持更高的刚度。Basson等人强调了颗粒尺寸分布的重要性，发现颗粒尺寸分布广泛（即粗颗粒相互咬合）的土壤更能抵抗液化。杨和黄发现，密实度增加协调数，从而减少各向异性，提高抵抗。

实验研究和DEM模拟都表明，土壤结构演变、各向异性和颗粒形态对液化抵抗至关重要。然而，实验验证仍然是确认和量化这些机制不可或缺的手段。例如，丰田等人使用G0、变形特性和颗粒取向来评估应力历史对液化和再液化抵抗的影响。在此背景下，本研究专注于试样中的物理各向异性对液化强度和G0的影响。为实现这一目标，进行了饱和循环未排水三轴试验以确定液化抵抗，同时通过波导元件（BE）试验确定G0，利用剪切波速结果。为了评估试样中的物理各向异性，使用光学显微镜测量了砂粒取向，因为砂粒长轴的取向在估算方法中更为简便。本研究旨在建立颗粒取向与液化抵抗之间的直接联系，包括G0，从而更好地理解再液化行为。

实验材料为日本标准砂，即Toyoura砂。这种砂的颗粒形状为角状至次角状，主要由石英组成。砂粒更倾向于延长形而非球形，其长宽比（L/W）为1.0–1.6，平均长宽比为1.5。颗粒形状通过光学显微镜观察，并在图1中展示。粒径分布曲线和物理特性基于日本土木学会标准：JGS 0131，在图2中呈现。为了制备试样，使用了一个由六个金属板组成的矩形容器，如图3所示。该容器的底部板设有六个孔（直径为5毫米），并在其上放置了一块多孔板，以允许水逐渐渗透到试样中。这些金属板通过固定螺栓连接，允许容器倾斜以满足所需条件。容器的高度为250毫米，长度为250毫米，宽度为100毫米。容器安装在支撑架上，以便调整倾斜角度，从而形成具有不同沉积角度（α = 0°, 45°, 和90°）的土壤块。

试样制备过程包括从步骤（a）到（o）的一系列操作。首先，通过固定螺栓将倾斜容器组装成所需角度（如图4所示，代表沉积角度α = 45°）。然后，将一个直径为100毫米、厚度为10毫米的圆形圆盘放置在容器内的多孔板上，该圆盘将在后续步骤中用于将试样从容器转移到切割装置。倾斜容器放置在圆柱形水箱中。接着，使用一个带有4毫米喷嘴的漏斗，将干燥的Toyoura砂分层喷射至10层。通过在喷嘴边缘连接一个悬挂重物，以保持每层的恒定下落高度。目标相对密度Dr约为60%，对应空隙比e为0.750。随后，通过圆柱形水箱逐渐供水，同时水通过容器内的多孔板渗透到试样中。当水到达试样表面时，保持浸泡30分钟。然后，通过吸管移除圆柱形水箱中的水，同时水自然从试样通过多孔板流出。此过程需平稳进行，避免扰动容器内的砂粒。接着，施加-20kPa的真空压力20分钟，以更有效地移除试样中的剩余水分。此时，砂的含水量约为16%。然后，小心地移除容器的侧壁，以保持砂块的完整性。砂块可以依靠吸力效应独立站立。随后，旋转砂块以获得所需的轴向用于试样切割。将砂块粗略切割成圆柱形，尺寸约为100毫米直径和140毫米高度。将圆柱形砂块放置在切割装置中进行整形。使用钢直尺将试样切割成50毫米直径。在膜拉伸器上安装乳胶膜并覆盖试样。然后，将试样的两端切割以获得最终高度为125毫米。将切割后的试样放置在三轴支撑架上。最后，使用O型圈将乳胶膜紧密固定在支撑架上。

实验设备采用自动控制的三轴装置，内置波导元件（BE）以研究液化和G0的特性。该装置的示意图如图5所示。一个圆柱形丙烯酸细胞被填充为去气水。G0通过BE测试确定，其中发射器和接收器分别嵌入在顶盖和支撑架中。BE的尺寸为2.5毫米高、12毫米长、1毫米厚。BE测试条件基于日本土木学会标准。输入频率为15kHz、20kHz、25kHz和30kHz，在±10V电压下生成单个正弦波。在每个频率下，使用起始到起始方法确定传播时间Δt。G0的值可以通过公式计算，其中ρt表示土壤的体积密度，Vs表示剪切波速，Ltt表示波导元件的发射器和接收器之间的距离。最终的G0值是通过在每个频率下计算的四个G0值的平均值得出。图6展示了BE测试在15kHz下获得的典型输入和接收波形。

测试方法按照以下流程进行（如图7所示）。三轴测试按照以下步骤进行：首先，制作土壤块，该步骤在第2.1节中描述。然后，进行第一次显微镜观察：在砂沉积后，小心移除容器壁。光学数字显微镜在土壤块的侧表面不同位置捕获2D图像。这些图像用于确定砂粒取向（倾斜角），称为“预液化”观察。随后，进行试样切割和设置：在拍摄显微镜图像后，小心地将试样切割成圆柱形，尺寸为125毫米高和50毫米直径。试样被覆盖膜并放置在三轴细胞的支撑架上。然后，进行饱和过程：首先，使用真空饱和方法对试样进行饱和。随后，移除细胞水，同时保持试样内部的吸力压力约为-20kPa，以测量其高度和直径。然后，三轴细胞被填充为去气水。施加200kPa的回压以达到完全饱和，目标是Skempton B值大于0.97。

进行固结：试样在有效围压σ'c为50kPa下进行等向固结（初始固结过程）。固结完成后，进行BE测试以测量剪切波速。然后，进行液化测试：在恒定的细胞压力下进行初始循环未排水三轴测试。使用反馈控制系统进行测试，加载的轴向应变率为0.5%/min。当q达到目标值时，加载方向反转以进行循环加载。循环加载持续到超过孔隙水压力比（EPWPR）达到95%。如果在循环加载终止后，试样仍存在残余轴向应变，则轴向加载位置恢复到原位（轴向应变εa = 0%）。这一阶段称为第一次液化测试。测试条件在表1中总结。

随后，进行再固结：液化后的试样在有效围压为50kPa下进行等向固结。缓慢排水以保持等向变形。通过自动轴向加载控制将q调整为0kPa，以获得等向应力条件。再固结完成后，使用BE方法测量剪切波速。然后，进行第二次显微镜观察：在完成再固结阶段后，将回压从200kPa降至100kPa，同时保持有效应力为50kPa。为了移除试样内部的水分，打开连接到顶盖的管子与大气相连。此过程持续到试样不再有水分流出。当细胞水被移除后，回压和细胞压力均降至0kPa。然后，拆卸丙烯酸三轴腔室。此时，试样含水量约为14%，可以依靠吸力效应独立站立。因此，可以小心地使用锋利刀具将膜垂直切割并移除，而不扰动试样。随后，拍摄显微镜图像，包括试样表面、10毫米和20毫米水平深度处的图像。为了观察内部颗粒取向，使用真空辅助技术小心地进行试样切割。这些图像捕捉了“液化后”的颗粒取向。

然后，进行再液化测试（第二次液化测试）：在与第一次液化测试相同的条件下进行第二次循环未排水三轴测试。记录达到再液化所需的循环次数N2，当EPWPR达到95%。同时，记录达到再液化所需的循环次数N3，当循环轴向应变的双幅（DA）超过5%。这些结果表明，尽管第一次液化事件的液化抵抗（CRR1）随着颗粒取向角的增加而提高，最高值出现在90°试样中，但再液化抵抗（CRR3）的趋势不同：CRR3值在0°和45°试样中比在90°试样中稍高。这些发现表明，虽然较高的颗粒取向最初增强了液化抵抗，但再液化行为更为复杂，可能是由于第一次液化过程中颗粒的重新排列，从而影响了后续的液化事件。

为了评估颗粒取向的变化，使用图像处理技术对初始颗粒取向和液化后的颗粒取向进行了分析。研究中选择了三种沉积角度（0°, 45°, 和90°）以及相对密度Dr为60%的试样。通过使用空气喷射法（AP）制备试样，该方法能够有效产生具有良好固有各向异性的试样。在液化前和液化后，分别测量了颗粒取向。对于液化前的试样，颗粒取向与预期的沉积角度相符，其平均取向角在4.09°–5.34°, 46.86°–51.32°, 和91.95°–92.85°之间，分别对应于沉积角度为0°, 45°, 和90°的试样。然而，液化后，这些取向角逐渐趋近于90°，表明液化导致了试样初始结构的改变和重新排列，从而使得颗粒取向更加垂直。这些变化对液化后的再液化抵抗和G0有显著影响。

通过图20展示的2D图像可以看出，颗粒取向的变化显著影响了再液化抵抗和G0。液化后的试样平均取向角增加至接近90°，而90°试样的颗粒取向则略有下降。此外，液化后，所有试样的再液化抵抗和G0变化较小，表明重新排列的颗粒在所有取向中达到了相似的取向和分布。研究还发现，液化后的试样平均取向角接近90°，而90°试样的颗粒取向则略有下降。这表明，尽管沉积角度影响了试样的初始结构，但液化后，颗粒取向趋于一致，各向异性减弱，从而对液化后的再液化抵抗和G0产生影响。

研究结果表明，沉积角度对液化和再液化行为有重要影响。通过图9和图14可以看出，液化前和液化后的CRR曲线存在明显差异。在沉积角度为0°的试样中，CRR2（液化后抵抗）高于CRR1（液化前抵抗），表明重复液化事件增强了液化抵抗。而在沉积角度为90°的试样中，CRR2低于CRR1，表明液化后抵抗下降。这些结果表明，CRR在液化前和液化后呈现不同的趋势，0°和45°试样在液化后表现出更高的CRR，而90°试样则相反。这可能是因为在液化过程中，颗粒重新排列导致结构更加均匀，从而影响了后续的液化事件。

通过图16和图17可以观察到，初始剪切模量G0在沉积角度为90°的试样中最高，而在沉积角度为0°的试样中最低。在液化后，G0在0°和45°试样中明显增加，而在90°试样中仅略有增加，这主要归因于相对密度的增加。液化后的试样中，颗粒取向更加垂直，这可能影响了G0的变化。通过图21可以进一步观察到，G0与平均颗粒取向存在密切关系，表明颗粒取向对G0的影响显著。

研究还发现，液化后，所有试样的平均取向角趋近于90°，而90°试样的取向角略有下降。这表明，尽管沉积角度影响了试样的初始结构，但液化后，颗粒取向趋于一致，各向异性减弱。通过图20中的分布可以看出，液化后，颗粒取向在所有沉积角度中趋于集中于90°，这表明液化导致了试样结构的改变和重新排列，使得颗粒取向更加垂直。这些变化对液化后的再液化抵抗和G0有显著影响。

总结本研究的主要发现，沉积角度对液化和再液化行为有重要影响。液化前，沉积角度为90°的试样表现出最高的液化抵抗（CRR1），而沉积角度为0°的试样表现出最低的液化抵抗。在液化后，0°和45°试样的再液化抵抗（CRR2）高于液化前的抵抗，而90°试样的再液化抵抗低于液化前的抵抗。这可能是因为在液化过程中，颗粒重新排列导致了结构的改变，从而影响了后续的液化行为。此外，G0在沉积角度为90°的试样中最高，而在沉积角度为0°的试样中最低。液化后，0°和45°试样的G0显著增加，而90°试样的G0仅略有增加，这主要归因于相对密度的增加。这些结果表明，颗粒取向对液化和再液化行为有重要影响，理解这一机制对于评估地震风险和改进土木工程设计具有重要意义。