像砂这样的颗粒土由离散颗粒组成，在外部加载下表现出复杂的力学响应。在岩土工程中，准确预测砂在单调和循环加载下的行为至关重要，因为这些加载条件在边坡、基础和地震环境中经常出现。虽然砂的变形通常发生在排水条件下，但在评估流动滑坡和地震引起的液化时，不排水行为变得至关重要[1,2]。
关于液化现象的现场观察一致表明，大多数天然和人工可液化砂层都含有一定比例的非塑性细颗粒（粒径小于75微米）[3],[4],[5],[6]。因此，细颗粒含量（fc）被认为是控制砂-细颗粒混合物宏观力学行为的关键因素，影响其强度、变形特性和液化阻力[7],[8],[9],[10]。过渡细颗粒含量（fc,th）是细颗粒主导和砂主导行为之间的界限，Zuo和Baudet总结了确定砂-非塑性颗粒混合物的fc,th的实验和计算方法[11]。
尽管进行了大量的实验研究，但fc对循环阻力的影响仍然不一致。根据用于表征土壤骨架的状态变量（包括孔隙比（e）、相对密度（Dr）、骨架孔隙比（es）、等效骨架孔隙比（es,eq）和状态参数（ψ）[12],[13],[14],[15],[16],[17]），报告了相反的趋势。例如，在相同的e（或Dr）下，循环阻力可能最初随着fc的增加而减小，然后在相同的es下随着fc的增加而增大。Chen等人[15]进一步报告了循环阻力比与es,eq之间的独特关系，这种关系独立于e、Dr、es和fc。这些不一致性突显了仅基于宏观状态变量来表征细颗粒效应的难度，并表明潜在的微观力学机制尚未得到充分理解。
在自然边坡和土结构中，土壤颗粒在循环加载之前经常受到初始静剪切应力的作用。先前的研究表明，颗粒土的不排水循环响应受到初始应力状态（特别是围压、应力路径和静剪切应力水平）的强烈影响[18],[19],[20]。实验研究表明，静剪切可能会根据加载模式、密度和围压增强或降低液化阻力[21],[22],[23]。最近的DEM模拟进一步表明，初始静剪切可以增加垂直固结试样的液化阻力[24]。然而，fc和初始静剪切对粉砂循环行为的综合影响仍然知之甚少，特别是从微观力学的角度来看。
尽管实验室实验为砂-细颗粒混合物的宏观行为提供了宝贵的见解，但它们在量化颗粒尺度机制（如接触力传递、结构各向异性以及粗颗粒和细颗粒各自的承载作用）方面的能力存在局限性。离散元方法（DEM）通过显式模拟颗粒间相互作用，为解决这些局限性提供了一个强大的数值框架[25]。DEM已被广泛用于研究颗粒土的单调和循环响应，能够详细分析接触演化、结构发展及其与宏观行为的联系[26],[27],[28],[29],[30]。
在临界状态土力学框架[31,32]内，最近的DEM研究强调了结构演化在控制土壤行为中的重要性。证据表明，独特的临界状态不仅与最终应力和孔隙比有关，还与特征性的结构各向异性有关[33],[34],[35]。然而，初始静剪切在结构各向异性演化中的作用及其与循环加载下细颗粒含量的相互作用尚未得到充分关注。
基于此背景，本研究采用DEM模拟单调和循环三轴试验，研究了在不同初始静剪切应力水平下具有不同fc的粉砂的临界状态行为和循环液化阻力。首先进行单调三轴模拟，以建立砂-细颗粒混合物的宏观和微观临界状态关系，为后续的循环分析提供一致的参考框架。然后通过独立和系统地改变fc、初始静剪切应力和循环剪切应力幅度来进行循环模拟，从而直接评估它们对液化阻力的综合影响。通过使用多个状态变量进行比较分析，批判性地检验了传统状态描述符在表征细颗粒效应方面的适用性和局限性。此外，还识别了在不同初始静剪切和循环剪切应力组合下的两种不同的破坏模式，并通过详细分析接触结构阐明了这些破坏模式的相应微观力学起源，从而将颗粒尺度机制与观察到的宏观响应联系起来。
