砂土标准贯入试验机制的离散元研究：微观力学行为与应力重分布机制

本文采用离散元方法（DEM）模拟砂土标准贯入试验（SPT），揭示了锤击作用下土体微观结构演变规律。研究发现，颗粒位移导致接触力链重构，形成新的应力传导路径，使贯入阻力递增。研究提出新型DEM应力计算方法，阐明了SPT中单次锤击贯入深度递减的力学机制，为原位测试结果的理论解释提供了新视角。

　　

Highlight

DEM模型

采用离散元方法（DEM）在不同测试深度开展标准贯入试验（SPT）模拟。如图1所示，为提高计算效率，对土体及管状取样器采用四分之一对称建模。

宏观试验结果

在5种不同深度进行的SPT模拟显示（表3），100 kPa覆压下获得的N₁值与实际工程SPT测试范围高度吻合。

颗粒位移

图14展示了不同锤击次数下土体颗粒位移模式。有趣的是，随着锤击次数增加，颗粒位移呈现"洋葱层状"分布，且位移量逐次递减，这解释了单次锤击贯入深度逐渐减小的现象。

应力重分布现象

通过创新的DEM应力计算方法发现（图23），锤击导致土体主应力方向发生显著偏转。新生力链网络在取样器尖端形成应力集中区，犹如"力学盾牌"般增强了土体约束。

讨论

需注意本研究存在粒径单一等局限性，但揭示了SPT的核心机制：应力重分布引发的"自强化效应"是贯入阻力递增的关键。

Conclusion

1. 1.

   DEM成功复现了SPT中单次锤击贯入深度递减的典型现象；

2. 2.

   颗粒位移引发的力链重组是贯入阻力演化的微观基础。

CRediT作者贡献声明

黄佩伦：论文撰写/仿真实施；罗方月：理论指导/框架设计；张嘎：概念构建/结果验证。

利益冲突声明

作者声明无潜在利益冲突。

致谢

本研究受国家重点研发计划（2023YFC3007001）、国家自然科学基金（52039005）等资助。