《Computers and Geotechnics》：Static liquefaction: The role of grain size polydispersity from a micro-structural perspective
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本文針對靜態(tài)液化引發(fā)的巖土結(jié)構(gòu)失穩(wěn)難題，通過離散元方法數(shù)值模擬，深入探究了顆粒尺寸多分散性對靜態(tài)液化觸發(fā)機(jī)制的微觀作用。研究發(fā)現(xiàn)液化源于接觸網(wǎng)絡(luò)崩潰和低密度區(qū)域形成的雙重機(jī)制，并揭示了臨時(shí)液化與完全液化的微觀結(jié)構(gòu)差異。該研究為理解液化本質(zhì)和預(yù)測模型開發(fā)提供了關(guān)鍵微觀見解。
靜態(tài)液化是松散的、飽和土體在不排水單調(diào)加載下發(fā)生的突然強(qiáng)度喪失現(xiàn)象。它常導(dǎo)致尾礦壩、廢棄物堆場等儲(chǔ)廢結(jié)構(gòu)的災(zāi)難性破壞，并且隨著此類設(shè)施逐年增多，由液化引發(fā)的失事案例有增無減。盡管在宏觀尺度上對液化的理解已較為深入，但究竟是什么微觀機(jī)制在顆粒尺度上觸發(fā)了這一過程？尤其是材料的內(nèi)在特性——例如顆粒尺寸分布——如何影響其液化敏感性？這些問題尚未得到充分解答。這既是當(dāng)前巖土工程實(shí)踐中“認(rèn)知空白”的體現(xiàn)，也是阻礙我們建立更可靠預(yù)測模型的關(guān)鍵瓶頸。發(fā)表在《Computers and Geotechnics》上的這項(xiàng)研究，正是為了揭開這層面紗，通過深入的微觀結(jié)構(gòu)分析，將宏觀的液化行為與顆粒世界的“一舉一動(dòng)”聯(lián)系起來。
為回答上述問題，研究者們采用了一種結(jié)合了彈性接觸定律的非光滑接觸動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行離散元數(shù)值模擬。該方法基于開源平臺LMGC90實(shí)現(xiàn)，允許在恒定體積條件下模擬二維圓盤顆粒集合體的不排水剪切。研究的核心技術(shù)方法包括：1）可控的樣品制備：生成了八種尺寸跨度不同的二維顆粒樣品，并采用“移除浮動(dòng)顆粒”的數(shù)值方法來系統(tǒng)調(diào)控樣品的初始密實(shí)度，從而在同一粒徑分布下獲得從松散到密實(shí)的多種狀態(tài)；2）周期性邊界條件下的簡單剪切測試：在樣品水平方向設(shè)置周期性邊界以模擬無限大域并減小邊界效應(yīng)，通過上下粗糙壁面的反向運(yùn)動(dòng)施加簡單剪切，模擬不排水條件；3）多尺度分析：同步追蹤宏觀力學(xué)響應(yīng)（如剪應(yīng)力演化）和微觀結(jié)構(gòu)描述符（如協(xié)調(diào)數(shù)、接觸網(wǎng)絡(luò)和局部固體分?jǐn)?shù)分布）的演變，建立宏微觀關(guān)聯(lián)。
3. 宏觀力學(xué)行為
研究模擬了具有不同尺寸跨度(S)和初始密實(shí)度（通過β參數(shù)控制）的樣品在恒定體積下的簡單剪切。宏觀應(yīng)力-應(yīng)變曲線揭示了三種典型的響應(yīng)模式：松散樣品表現(xiàn)出完全的靜態(tài)液化，在峰值剪應(yīng)力后發(fā)生顯著的應(yīng)變軟化，最終強(qiáng)度接近零；密實(shí)樣品則保持穩(wěn)定，未發(fā)生液化，剪應(yīng)力在達(dá)到峰值后趨于穩(wěn)定值；部分中等密實(shí)樣品展現(xiàn)出臨時(shí)液化行為，即經(jīng)歷短暫的強(qiáng)度喪失后，在大應(yīng)變時(shí)能夠恢復(fù)部分剪切強(qiáng)度。分析表明，靜態(tài)液化的發(fā)生同時(shí)依賴于初始密實(shí)度和顆粒尺寸的多分散性。
4. 微觀結(jié)構(gòu)與宏微觀聯(lián)系
通過多尺度分析，本研究揭示了靜態(tài)液化的雙重微觀機(jī)制：
4.1 微觀結(jié)構(gòu)與連通性
液化過程伴隨著接觸網(wǎng)絡(luò)的根本性破壞。關(guān)鍵指標(biāo)協(xié)調(diào)數(shù)（每個(gè)顆粒的平均接觸數(shù)）在液化發(fā)生時(shí)急劇下降，并跌破一個(gè)關(guān)鍵閾值（<3）。這標(biāo)志著力鏈網(wǎng)絡(luò)的崩潰，顆粒體系的荷載傳遞能力喪失。
4.2 局部密度演化分析
液化不僅關(guān)乎“連接”，也關(guān)乎“空間”。研究發(fā)現(xiàn)，在剪切過程中，樣品內(nèi)部會(huì)演化出顯著的局部固體分?jǐn)?shù)不均勻性，出現(xiàn)持續(xù)的低密度區(qū)域。這些區(qū)域成為變形的薄弱帶。
4.3 微觀到宏觀描述符的橋梁
臨時(shí)液化與完全液化的微觀圖景不同。臨時(shí)液化對應(yīng)于接觸網(wǎng)絡(luò)暫時(shí)性的連通性喪失，同時(shí)局部密度波動(dòng)較小，這使得體系在后續(xù)剪切中有可能重新組織并恢復(fù)應(yīng)力傳遞。而完全液化則是接觸網(wǎng)絡(luò)崩潰與顯著密度異質(zhì)性（低密度區(qū)形成）的共同結(jié)果，導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的失連與異質(zhì)化，從而喪失所有剪切強(qiáng)度。
本研究通過系統(tǒng)的離散元模擬，從微觀結(jié)構(gòu)角度闡明了顆粒尺寸多分散性在靜態(tài)液化中的作用。核心結(jié)論是，靜態(tài)液化的觸發(fā)源于一個(gè)雙重微觀機(jī)制：接觸網(wǎng)絡(luò)的崩潰（以協(xié)調(diào)數(shù)低于3為標(biāo)志）和低密度區(qū)域的出現(xiàn)與演化。完全液化是這兩種效應(yīng)結(jié)合的不可逆結(jié)果，而臨時(shí)液化則更多與暫時(shí)的網(wǎng)絡(luò)連通性喪失有關(guān)。顆粒尺寸的多分散性通過影響初始堆積密度和微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，改變了體系對這兩種機(jī)制的敏感性。這項(xiàng)研究的意義在于，它跨越了宏微觀尺度，為理解靜態(tài)液化這一復(fù)雜的巖土工程災(zāi)害現(xiàn)象提供了清晰的物理圖像和量化描述符。這些基于微觀機(jī)制的見解，有望推動(dòng)建立更機(jī)理化、更可靠的液化觸發(fā)判據(jù)和本構(gòu)模型，從而為尾礦壩、廢棄物堆場等高風(fēng)險(xiǎn)巖土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安全評估提供更堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。
