基于离散元法的不同波形下砂土液化宏微观机制研究

针对波形对砂土液化行为影响机制不明的问题，研究人员采用离散元法（DEM）模拟不排水循环三轴试验，揭示矩形波因加载时长和速率特性导致更严重的液化现象，提出微观组构各向异性指标J2R和统一3D液化路径，为理解宏微观力学响应关联提供了新视角。

　　

砂土液化是地震灾害中令人闻之色变的现象——饱和砂土在动荷载下突然丧失强度，像液体一样流动，导致桥梁坍塌、地面塌陷等灾难性后果。从1964年阿拉斯加地震到2023年积石山地震，这类事件不断重演，成为岩土工程领域的重大挑战。尽管过去研究明确了砂土密度、颗粒分布等因素的影响，但地震波形的复杂特性（如矩形波、正弦波、三角波的差异）如何通过微观颗粒重组触发液化，始终是未被破解的"黑箱"。

为解开这一谜题，中国国家自然科学基金支持的研究团队在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》发表论文，采用离散元法（DEM）这一"数字显微镜"，首次系统对比了三种波形下砂土液化的宏微观演化规律。通过7种循环应力比（CSR=0.125-0.262）的不排水三轴试验模拟，发现矩形波因其陡峭的加载反转特性，比正弦波和三角波产生更剧烈的液化行为。更突破性的是，团队捕捉到微观组构各向异性指标J₂在单周期内呈现双峰特征，由此创新提出J₂^R阈值作为液化阶段判据，并构建了融合J₂、应力比(η)和剪切应变(ε_d)的三维液化路径，实现了从颗粒尺度到工程响应的跨尺度关联。

研究主要采用三项关键技术：1）基于PFC6.0软件的DEM建模，通过滚动阻力模型补偿球形颗粒简化带来的误差；2）恒体积循环剪切算法模拟不排水条件；3）微观组构分析采用协调数(C_N)和组构张量第二不变量(J₂)量化接触网络演变。

【典型液化行为】
通过孔隙水压力比(r_u=Δu/σ'_c)分析发现，矩形波在临近液化时呈现"阶跃式"增长，其轴向应变发展速率是其他波形的2-3倍。有效应力路径显示，矩形波导致更早的"蝴蝶形"崩溃轨迹，这与实际地震中观察到的突发性破坏高度吻合。

【微观结构特征】
C_N和J₂共同揭示了液化的微观本质：C_N持续下降反映接触网络瓦解，而J₂的双峰特征暴露了组构各向异性的不对称演化。创新提出的J₂^R指标（双峰差值）在0.15阈值处出现拐点，标志着从累积阶段向破坏阶段的转变。

【结论与展望】
该研究首次建立了波形特性-微观组构-宏观响应的完整关联链，特别是发现矩形波通过延长高应力持续时间加速了颗粒骨架重构。提出的3D液化路径不仅解释了传统强度理论的局限性，还为地震波筛选和地基处理提供了新依据。未来可结合真实地震波频谱特性，进一步验证J₂^R阈值在复杂荷载下的普适性。

这项由Zhao Jiajin、Zhu Zhehao等完成的研究，将岩土工程领域的波形影响认知从"现象描述"推进到"机制解析"层面，其微观参数量化方法对地质灾害预警系统开发具有重要启示意义。