基于FDM-DMDEM耦合方法的松嫩平原粉质黏土-结构界面剪切破坏机制多尺度研究

为解决粉质黏土-结构界面在不同含水量条件下的剪切破坏机制问题，研究人员采用直接剪切试验、PIV技术和创新的FDM-DMDEM(有限差分法-细观参数离散元法)耦合数值模拟方法，揭示了剪切带内外孔隙率与应力演变的细观规律。结果表明，含水量增加会削弱颗粒间黏结力，导致剪切带内部破坏成为主导模式，而法向应力增大则促进剪切应力向土体内部扩展。该研究为松嫩平原地区基础工程的设计与灾害防控提供了理论依据。

　　

在松嫩平原地区，频繁的洪水、地震等自然灾害常引发地基失稳和挡土结构破坏，造成重大经济损失。这些灾害的初始诱因多与土体-结构界面剪切作用相关，而当地粉质黏土因蒸发降雨交替导致含水量(ω)动态变化，进一步影响界面力学行为。尽管前人通过直剪试验研究了砂土-结构界面的宏观力学特性，但对黏性土细观破坏机制、尤其是剪切带演化规律的认识仍存在空白。传统离散元法(DEM)需反复试错校准细观参数，且难以模拟两相材料的力学差异。针对这些问题，吉林大学团队创新性地提出了FDM-DMDEM耦合方法，为黏性土界面破坏机制研究提供了新视角。

研究采用直接剪切试验结合粒子图像测速(PIV)技术获取宏观力学数据，并通过自主研发的FDM-DMDEM方法建立三维数值模型。该方法基于非饱和土理论，通过Van Genuchten(VG)模型直接计算细观参数，避免了传统DEM的反演校准过程。松嫩平原粉质黏土样本(含水量16.7%-24.7%)与混凝土结构在不同法向应力(100-400 kPa)下进行试验，同时采用测量球监测剪切带内外孔隙率变化。

宏观实验结果显示：剪切应力-位移曲线分为弹性变形和塑性变形两阶段，含水量从16.7%增至24.7%时剪切强度降低31.7%-49.6%。PIV分析表明，低σ_n(100-200 kPa)时水平位移随ω增加而增大，而高σ_n(300-400 kPa)下因水分下移导致界面摩擦减弱，位移反而减小。

数值模型验证中，FDM-DMDEM模拟结果与物理试验误差<15%，且成功再现了水平位移非线性衰减规律。参数敏感性分析显示，当ω和σ_n输入误差>20%时，模型均方误差(MSE)显著上升至5.80±2.11和13.54±4.89。

细观机制研究发现：孔隙率变化存在双模式——剪切带外孔隙率持续降低并趋于稳定，而带内孔隙率在塑性阶段突增，拐点对应宏观弹塑性转变。参数化分析揭示：ω=20.7%(最优含水量)时剪切带达到最密实状态；σ_n从100 kPa增至400 kPa可使带内孔隙率降低1.95%，对应弹性阶段延长。

破坏模式呈现两种形式：(1)剪切带内部破坏：低σ_n下弱力链主导，仅带内颗粒承担剪切应力；(2)剪切带外部破坏：高σ_n下粗力链网络延伸至土体内部，更多颗粒参与承载。含水量增加会削弱颗粒间静电引力和范德华力，导致剪切应力难以向外扩展，使破坏模式向带内破坏转变。

该研究发表于《Soils and Foundations》，其创新性体现在：首次通过FDM-DMDEM耦合方法量化了ω和σ_n对剪切带演变的细观影响，提出的细观参数直接计算模型可推广至其他非饱和土研究。成果为松嫩平原基础工程(如摩擦桩、挡土墙)的抗剪设计提供了理论支撑，尤其对含水量变化频繁地区的灾害预防具有指导意义。未来研究可结合人工智能算法，进一步分析温度、人类活动等多因素耦合效应。