重力效应对土体液化行为的调控机制及实验模拟研究

本研究针对实验室单元试验中难以实现完全液化状态（零有效应力）的难题，开发了新型双向加载装置，结合离散元模拟（DEM）揭示了重力环境对液化特性的影响机制。通过轻质塑料棒浸水试验和变重力数值模拟，发现低重力条件下试样呈现更强的收缩性、更低的残余平均应力和刚度，导致液化抗力降低。研究提出0.6-0.8的校正系数，为实际工程中液化抗力评估提供重要参考，成果发表于《Soils and Foundations》。

　　

土体液化是地震灾害中导致建筑基础设施损毁的关键因素，其本质是饱和土体在循环荷载下有效应力丧失的现象。传统实验室测试受重力引起的应力梯度限制，仅能在试样表层实现完全液化，而深层土体因自重影响保留残余应力，导致液化抗力被高估。这一局限性使得实验室结果与现场观测存在显著差异，如何准确模拟零重力环境下的液化行为成为岩土工程领域的重大挑战。

为突破这一瓶颈，日本东京大学的研究团队创新性地设计了可浸水操作的循环双向加载装置，采用密度接近水的聚苯乙烯塑料棒（密度1.019 g/cm³）模拟土颗粒，通过浮力效应将有效重力降至0.20 m/s²。同步开展离散元法（DEM）模拟，通过调整重力参数（0-25.8 m/s²）系统研究重力对液化行为的影响。

关键技术包括：1）双向加载装置集成三向荷载传感器和浸水系统；2）高分辨率图像分析技术量化孔隙各向异性指数（I_e）；3）基于LAMMPS平台的DEM模拟，采用Hertz-Mindlin接触模型；4）机械协调数（CN*）和接触各向异性指数（I_c）等微观参数分析。

3.1 宏观响应特征
试验与模拟均显示：在9.81 m/s²重力下，试样底部平均应力达1.29 kPa，形成显著应力梯度；而在0.20 m/s²浸水条件下梯度降至0.03 kPa，零重力时完全消失。低重力环境使残余切线模量降低5倍，证实浮力效应可有效消除自重影响。

3.2 微观机制解析
接触分析表明：标准重力（1g）下机械协调数（CN*）始终>3，维持稳定接触网络；零重力时CN*周期性归零，颗粒进入无接触悬浮状态。图像分析揭示浸水试样的孔隙结构调整速率比干燥试样快1.8倍，说明低重力削弱了颗粒间摩擦互锁效应。

4. 液化抗力修正
基于2%竖向应变准则，提出重力校正系数：实验室浸水/干燥条件比为0.61-0.81，DEM模拟0.75-0.97。值得注意的是，重力效应在大应变区（10%应变）更为显著，其影响在g*>2.45 m/s²后趋于稳定。

该研究首次通过物理试验实现近零有效应力的完全液化状态，揭示重力通过调控接触网络稳定性影响液化抗力的机制。提出的校正系数为实验室数据向工程实践转化提供定量依据，发展的浸水试验方法为液化机理研究开辟新途径。未来可通过改变流体密度进一步探索重力效应的临界阈值，这对月球/火星地基处理等太空岩土工程具有前瞻性意义。