先进砂土本构模型对天然粉砂单调与循环响应的预测能力：综合试验与数值评估

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Can advanced sand-based models predict the behaviour of silty sands? A comprehensive experimental and numerical assessment

　　

研究人员对5种天然粉砂（silty sands）开展试验研究，其细粒含量（fines content, FC）最高达39.8%。在单调加载与不排水循环加载条件下评估先进砂土模型（advanced sand models）。即使在细粒含量接近40%的粉砂中，仍观察到砂土型循环流动性（sand-like cyclic mobility）。组构（fabric）与记忆（memory）机制改善了液化前（pre-liquefaction）和液化后（post-liquefaction）预测。只要响应保持砂土型，先进砂土模型能够再现粉砂行为。

该研究针对天然混合粒组土中砂土本构模型适用性证据不足的问题展开。已有本构模型多基于净砂或纯黏土验证，而天然土常由粗、细粒组分混合而成，力学响应可在砂土型与黏土型之间连续变化；已有混合土模型多面向单调加载，且常需阈值细粒含量（fines content, FC）或细粒参与骨架关系等额外信息。研究中5种天然粉砂的FC为3%–39.8%，每种材料仅对应一个FC，未形成受控混合系列，因此研究人员不以砂-细粒专用模型为主，而是检验既有先进砂土模型的可迁移性和预测能力。总体结论是：砂土模型可再现这些粉砂在响应仍呈砂土型时的若干单调与循环特征，包括FC为39.8%的SS4；但结论限于所研究材料、初始状态、应力水平和三轴条件，不能据此建立通用FC阈值或证明砂粒主导骨架。

关键技术方法如下：采用控制落砂法制样，通过落高和含水率调整相对密度；试样直径100 mm、高100 mm，端部采用减摩措施；经CO₂和无气水冲洗并饱和至Skempton系数B≥0.99，随后等向固结。单调三轴试验由Karlsruhe Institute of Technology（KIT）土力学与岩石力学研究所提供，循环三轴试验由本研究开展。开展排水单调三轴试验（DMT）、不排水单调三轴试验（UMT）和不排水循环三轴试验（UCT）；UCT在p₀=100 kPa、q_amp=15–60 kPa下进行，以|ε₁|=10%为终止条件。Hypo+IGS、Sanisand和Sanisand-MSf采用numgeo-ACT自动校准，Hypo+ISA-SF手动校准；每种土和模型追求单一参数集，并以RMSE和NRMSE评价，循环量在q=0上升交点处定义。

研究结果按原文小标题概括如下。“临界状态强度敏感性”：将由排水单调试验估计的M^exp_c固定、其余参数不变并重算29个试验，未显示系统性改善，说明临界状态强度与其余参数及响应量相互作用，支持采用完整数据库识别单一参数集。“模型性能定量评估”：以RMSE、NRMSE和覆盖度比较四模型，误差强烈依赖材料和初始状态，不能形成跨响应类型的统一排名。“不排水单调三轴试验”：在p₀=50 kPa、D_r0=9%–67%范围内，低密度试样强度较低、响应更收缩并在中到大应变液化，高密度试样剪胀；两种亚塑性模型预测相近，两种边界面塑性模型预测相近；SS2和SS3中弹塑性模型持续预测剪胀；SS4虽FC近40%仍呈砂土型密度依赖响应。“排水单调三轴试验”：松样均收缩且无峰值；两种亚塑性模型较好预测初始刚度、刚度退化、强度和体积响应；弹塑性模型应力–应变合理，但未再现SS2和SS3体积响应，归因于A₀在排水体积响应与液化后应变累积之间的折中。“不排水循环三轴试验”：在p₀=100 kPa、D_r0=10%–67%、q_amp=15–60 kPa下，试验显示循环孔压累积、应变幅增大及蝶形有效应力路径；Hypo+IGS和Sanisand不能充分再现滞回和液化后应变累积，Hypo+ISA-SF和Sanisand-MSf通过组构–剪胀耦合、半流化状态（semifluidized state）和记忆面（memory surface）等机制改善液化前后预测；Hypo+IGS在部分条件下首循环过收缩且不能形成蝶形路径；z_max敏感性表明接近p′=0与再现完整孔压历史是不同校准目标；Hypo+ISA-SF的χ函数和Sanisand-MSf的记忆机制改善孔压累积速率。

讨论部分指出，采用砂土模型的依据是观察到的力学响应而非仅FC；SS4的密度依赖不排水响应和循环孔压累积支持在所测条件下评估砂土模型，但不能证明砂粒主导承载骨架。砂土型与细粒主导型行为的转变取决于两组分的性质和相对粒径，FC单独不足以识别转变；所研究材料是不同天然土而非同一砂的系统混合系列，不能隔离FC效应或建立砂土模型适用阈值；收缩–剪胀转变本身也不证明达到临界状态。结论限于制样、初始状态、应力水平和三轴加载条件，选定响应的一致性不证明可转移至其他粉砂或尾矿，尤其细粒塑性、矿物学或组构不同者。

研究结论（译述）：一，不排水单调三轴试验在p₀=50 kPa和D_r0=9%–67%下，低密度试样剪切强度更低、更收缩并在中到大应变液化，高密度试样剪胀；多数粉砂中两类模型预测合理，但SS2和SS3中弹塑性模型持续预测剪胀。二，排水单调三轴松样收缩；两种亚塑性模型准确预测初始刚度及其随轴向应变退化、剪切强度和体积响应；弹塑性模型应力–应变合理但未再现SS2和SS3体积响应，归因于A₀折中。三，q–ε₁空间试验呈循环滞回且环面积随循环增加；Hypo+IGS和Sanisand未再现并预测不合理应变累积；Hypo+ISA-SF和Sanisand-MSf通过组构–剪胀耦合、半流化状态和记忆相关刚度退化更真实预测液化后大应变。四，循环超孔压累积及平均有效应力降低呈非线性，初期快速、随后减慢、接近临界状态再加速；Hypo+ISA-SF以循环相关标量函数较好再现，Hypo+IGS因常数参数不能再现；Sanisand能力有限，Sanisand-MSf以记忆机制较好再现液化前孔压发展。五，所研究砂土模型再现5种天然粉砂的选定单调与循环响应，包括FC=39.8%的SS4；结论限于所研究材料、初始状态和应力路径，不确立对其他天然粉砂或尾矿材料的通用适用性，尤其矿物学、塑性或细粒特性不同者。