砂土循环液化抗力的级配效应的微观力学洞察

《Computers and Geotechnics》：Micromechanical insights into grading effects on cyclic liquefaction resistance of sands

　　

本研究采用离散元方法（DEM）模拟，对级配效应影响砂土循环液化抗力的微观力学解释进行了探讨。研究人员制备了具有不同不均匀系数的三维颗粒集合体，采用两种不同的制备方案使其处于松散和中密状态，并在一系列循环应力比条件下进行常体积循环简单剪切试验。循环液化抗力以达到初始液化所需的加载循环次数进行量化。为解释所观测到的变化趋势，研究人员引入了一项基于液化前阶段机械配位数下降速率的微观力学指标。在所有考虑的相对密度范围内，级配对抗液化能力表现出非单调的影响。相比之下，液化后剪切应变累积随不均匀系数的增大而单调减小。在所有研究的集合体中，液化抗力与液化前接触退化速率之间呈现出强幂律关系。上述发现表明，液化前接触损失演化过程为在所考察的DEM模拟中解释级配效应对循环液化抗力的影响提供了一个有效的微观力学框架。

**级配效应对砂土循环液化抗力的微观力学机制研究**

**1. 研究背景与问题提出**

液化是土体在静力或地震循环荷载作用下，因超孔隙水压力累积而导致抗剪强度和刚度丧失、由固态转变为流态并产生大剪切变形的现象，可对基础设施和生命线工程造成严重破坏，是岩土工程中长期关注的重要问题。颗粒材料的抗液化能力受外在因素（应力历史、有效上覆压力、密度）和内在土性（颗粒形状、级配、沉积组构、矿物成分）的共同影响。其中，级配的影响因其在文献中报道的复杂性甚至矛盾性而受到特别关注。级配的影响通常采用不均匀系数C_u和平均粒径d₅₀来表征。然而，现有实验研究结论并不一致：部分研究显示抗液化能力随C_u增大而降低，另一些则显示其随C_u增大而提高，还有研究观察到非单调变化趋势。此外，现有实验研究难以直接获取土体行为的微观力学信息，不同样品制备方案也会干扰对抗液化能力的判断。因此，亟需采用能够系统控制变量并直接获取细观信息的数值方法，深入理解级配效应的微观力学机理。

**2. 研究内容与意义**

本研究旨在采用离散元方法（DEM），系统研究级配（以C_u表征）对砂土循环液化抗力的影响，并引入基于液化前机械配位数下降速率的微观力学指标来解释观测到的宏观趋势。研究发现级配对抗液化能力呈现非单调影响，该发现对统一文献中看似矛盾的结论具有重要意义，深化了对级配效应微观机制的理解，可为性能化抗震设计提供理论依据。

**3. 主要技术方法**

本研究采用开源离散元软件LIGGGHTS进行模拟，采用Hertzian法向接触模型、历史依赖切向接触模型及库仑摩擦截断，并引入滚动阻力以近似表征颗粒棱角度和表面粗糙度效应。研究制备了五种线性级配的球形颗粒集合体，其不均匀系数C_u范围为1.2至4.5，粒径比λ范围为1.5至25，粒径跨度s范围为0.20至0.92。样本按两种方案制备：方案1对所有级配采用相同制备摩擦系数，导致相对密度随级配略有变化（松散：D_r=30.0%–32.5%；中密：D_r=53.2%–61.0%）；方案2通过试错法调整制备摩擦系数，使目标相对密度分别约为30%和50%。所有集合体先在三维域内等向压缩至平均有效应力p₀=100 kPa，随后在双周期边界条件下进行常体积循环简单剪切，剪切速率γ?=1 s^-1，保持惯性数I<10^-3以满足准静态条件。共制备20个集合体，完成110次循环简单剪切试验。

**4. 研究结果**

**4.1 宏观响应**：循环剪切过程中，集合体表现出整体收缩趋势，平均有效应力p逐渐减小，归一化超孔隙水压力比r_u相应增大，最终达到r_u>0.99（对应p<1 kPa），定义为初始液化触发。触发后集合体表现出循环流动性，伴随大幅应变偏移。松散集合体比中密集合体在更少循环内液化。液化后剪切应变双幅γ_DA随C_u增大而单调减小，表明宽级配集合体具有更稳定的堆积结构，限制了颗粒重排和变形累积。

**4.2 抗液化能力**：通过功率律CSR=aN_IL^-b拟合循环抗力曲线，研究发现无论采用哪种制备方案和密度水平，N_IL和循环抗力比CRR均随C_u增大先增大至峰值（约C_u≈3.6），随后随C_u进一步增大而减小，表现出清晰的非单调趋势。

**4.3 机械配位数演化**：液化前阶段机械配位数z_m随循环加载近似线性下降，其下降速率?_m随C_u增大先减后增，与N_IL随C_u的变化趋势呈镜像关系。液化后z_m经历接触损失和部分恢复的循环过程，且恢复程度逐渐减弱。

**4.4 接触数分布**：初始状态下，低C_u集合体的接触数分布接近泊松分布，随C_u增大逐渐偏离泊松形式，趋向负二项分布，色散指数I_d减小，表明接触数异质性增强。到达液化触发时，接触数分布变得更加泊松化，I_d系统性增大，反映接触网络向更均匀状态转变。

**4.5 幂律关系**：在所有研究的集合体中，N_IL与?_m之间呈现强逆幂律关系，且拟合关系具有密度依赖性，表明?_m并非普适的状态变量，而是描述液化前承载接触网络退化速率的动态微观力学指标。

**5. 讨论与结论**

两种制备方案的一致性表明，级配对循环液化抗力的定性影响对制备方案具有鲁棒性，不受中等程度相对密度差异的影响。这一发现与已有DEM研究形成对比，后者报道的影响趋势依赖于初始状态变量的选取。本研究揭示的非单调级配效应强调了在性能化抗震设计中应同时考虑液化触发抗力和液化后变形响应的重要区别：宽级配砂虽然可能在更少循环内触发液化，但其液化后剪切应变累积较小，对上部或埋地基础设施的潜在破坏可能较轻。未来研究应将该框架扩展至非球形颗粒和级配间断或砂-细粒混合土，以评估颗粒形状和更复杂粒径分布对接触退化机制和抗液化能力的影响。