橡胶颗粒在砂-结构界面响应中的引入：基于离散元方法的研究

《Advanced Powder Technology》：Integration of rubber particles into sand-structure interface response: a DEM study

　　

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  通过离散元模型（DEM）对混合掺入和表面临界橡胶颗粒进行评估。
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  混合掺入情形通过粗糙度与橡胶性能的耦合优化来提高强度。
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  表面临界橡胶颗粒起运动学屏蔽作用，抑制砂粒转动。
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  即使掺入橡胶颗粒，接触结构与颗粒转动仍主导强度演化。

引言

砂-结构界面响应在深基础、锚固和挡土墙等关键岩土工程系统的性能中起着基础性作用。相关研究一般集中于优化极限强度和刚度以最大化结构稳定性[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。然而，现代岩土工程应用不仅需要高强度的刚性界面，还需要界面在多样化和动态荷载条件下具备柔性行为。扩展界面响应的范围具有显著的工程优势，特别是在岩土结构在安装和服役过程中承受复杂的环境与结构荷载组合时。为捕捉这些优势，近期研究在结构表面设计中引入了创新方法，将荷载方向作为设计参数以定制界面力学特性[7]、[8]、[9]、[10]。在这一范畴内，将弹性橡胶材料引入砂-结构界面问题开辟了新的途径，能够拓宽行为视角并增强当代界面设计的修改能力。此外，从微观尺度评估砂粒和橡胶颗粒各自的独立作用，为解释宏观层面的观测变化提供了重要基础。

在单调和循环荷载条件下，砂-橡胶混合料的内部剪切响应已得到广泛研究[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。由于橡胶颗粒的柔软特性，其具有与刚性砂粒显著不同的工程性质[18]、[19]、[20]、[21]。研究者的主要关注点在于量化从砂粒主导的刚性网络向橡胶主导的软质介质的过渡过程，记录剪切强度和体积变化的演变。Lee等人[22]报道，混合料的内部剪切强度随橡胶含量的增加而系统降低。此外，他们的研究结果表明材料行为存在明显转变，即在橡胶存在的情况下，复合体表现出更高的延性和更大的破坏应变。Liu等人[23]指出剪切强度随粒径比和橡胶含量变化而增加。关于循环响应方面，Srivastava等人[24]和Madhusudhan等人[25]证明，在特定浓度范围内掺入橡胶颗粒可以改善循环抗性并抑制过量孔隙水压力的产生。近期，离散元方法已被用于从微观尺度研究砂-橡胶混合料的力学行为。这些数值模拟使研究者能够探索内部颗粒尺度的相互作用，详细说明软质橡胶的引入如何改变接触网络和力链演化[26]。研究表明橡胶能够更有效地吸收能量和填充孔隙，从而降低剪胀倾向[27]。在混合料中，强力接触通常由砂-砂接触组成，而橡胶接触起次要作用或表现为弱力接触。此外，随着橡胶含量的增加，接触网络的空间分布变得更加均匀[28]。总体而言，尽管此前的研究成功地从宏观和微力学角度表征了砂-橡胶混合料的行为特性，但这些研究侧重于内部剪切。然而，在土-结构界面问题中，颗粒介质同时与刚性连续表面相互作用。因此，颗粒的运动学和结构演化比内部剪切期间所观察到的更为复杂，因为相互作用矩阵必须容纳沿结构表面产生的新一组接触对。

砂-结构界面的力学响应受一系列材料和几何特性的显著影响，包括颗粒形状、粒径分布以及表面粗糙度的尺度和形态[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。由于工程师可以在初始设计阶段策略性地操控和优化这些参数，因此岩土结构可以被定制以在整个运营服役期内有效工作。受先进制造技术和全球可持续发展目标的推动，当代研究日益关注探讨替代界面配置，以在最大化工程效率的同时最小化能源和材料消耗。Martinez等人[7]和Stutz与Martinez[9]提出了一种受蛇皮多向形态启发的非对称、各向异性粗糙形态。这种仿生方法提供了高度依赖荷载方向的定制化力学效能。具体来说，岩土结构在安装阶段所需能量显著减少，因为方向依赖的表面取向极易产生滑动。相反，安装完成后，表面纹理的逆向取会在承受拉力时激发的强烈的剪胀响应和巨大的剪切阻力以对抗相邻土壤。考虑到再生材料在可持续岩土工程应用中的环境效益，掺入橡胶颗粒为增强这些创新的方向依赖界面方法的有效性提供了独特机遇。当整合到创新界面设计中时，软质橡胶不仅是一种环保添加剂，还作为一个战略性界面组分，能够提供柔性、能量耗散的界面行为并减少剧烈剪切路径下的近场颗粒劣化。

本研究的主要目的是探讨将软质橡胶颗粒引入砂-结构界面问题后对宏观和微力学剪切响应的影响。为实现此目标，采用离散元数值方法（DEM）进行了一系列全面的界面剪切分析。系统评估了软质橡胶颗粒在两种不同空间分布模式下的作用：(1) 均匀混合于刚性砂材料中，以及(2) 分层直接布置在结构表面上形成连续橡胶层（即表面临界掺入）。橡胶颗粒以三种不同的体积分数掺入。结构表面采用两种不同的非对称粗糙形态和三种不同的粗糙度尺度，以扩展所研究界面机制的行为范围。因此，通过分析宏观剪切强度以及关键微观指标（包括配位数、接触各向异性和砂粒转动）来评估界面响应。

章节摘要

离散元建模

本研究采用PFC2D[35]进行了一系列二维离散元模拟，研究了橡胶颗粒影响下砂-结构界面的微观响应。界面区域由砂和橡胶颗粒以及刚性结构表面构成。在建模过程中，对砂粒和橡胶颗粒的行为采用了独特的处理方式，以反映颗粒尺度可变形性的差异。

模拟结果

模拟结果首先在宏观尺度上通过界面剪切强度进行分析。随后，通过探索微观特征（特别是接触网络和颗粒运动学）揭示了驱动这些变化的潜在机制。

讨论

模拟结果表明，掺入橡胶颗粒对界面剪切强度产生高度显著的影响，这取决于其含量、位置和粗糙度特性。在相对较低的橡胶含量（即RC = 2%）时，当橡胶以混合形式均匀分布于砂中时，剪切强度可以得到改善。这种强度提升效果在较低粗糙度尺度（即R_max = 0.25 mm和0.5 mm）下尤为明显。这种强度

结论

本研究进行了一系列离散元（DEM）模拟，系统研究了掺入软质橡胶颗粒后砂-结构界面的响应。在宏观和微观两个尺度上分析了橡胶含量（RC）、粗糙度高度（R_max）、表面轮廓（H1与H1a）以及橡胶分布模式（混合掺入与表面临界）的耦合效应。基于数值研究结果，得出以下主要结论：

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  掺入橡胶会改变

数据可用性声明

支持本研究结论的部分或全部数据、模型或代码可在合理请求后从通讯作者处获取。

CRediT作者贡献声明

Abdulmuttalip Ari：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，软件，方法学，调查研究，概念化设计。Felix Okonta：撰写—审阅与编辑，概念化设计。

资金支持

本研究由土耳其科学和技术研究委员会（TUBITAK）在资助编号223 M081项下提供资金支持。作者感谢TUBITAK的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

Abdulmuttalip Ari|Felix Okonta