循环荷载下砂土颗粒局部破碎特征及其对抗液化强度的影响规律

Soil liquefaction, as one of the major secondary disasters caused by earthquake, will severely induce stability and safety problems of buildings. Local breakage of sand grain is due to the stress concentration at the inter-particle contact, which includes surface grinding and breakage of grain corner. Local breakage of sand grain occurs extensively in the liquefiable soil layers, because a lower stress is possible to cause local breakage of sand grain. From the microscale perspective, soil liquefaction is the consequence of disconnection of inter-particle contacts. And local breakage of sand grain during the earthquake loading period will change the mechanical behaviors of the inter-particle contacts, thus influencing the liquefaction process of grain soil. However, the study about the local breakage of sand grain and its influence to soil liquefaction is still quite limited. The target of this project is to propose a suitable elasto-plastic contact model based on the DEM simulation to describe the contact behavior incorporating the local breakage of particle. Using the statistical analysis, this project will further explore the evolution of fabric of the granular soils and the characteristics of plastic deformation of inter-particle contact during liquefaction process, and eventually reveal the relationship between local breakage of particle and liquefaction resistance of granular soils. This study will help to complete the dynamic theory of soils and improve the understanding of soil liquefaction from the microscale perspective.

砂土液化作为一种主要的地震次生灾害，会严重影响建筑物的稳定性安全。颗粒局部破碎是由于接触点处的应力集中而导致的颗粒表面的研磨和颗粒棱角的断裂，颗粒局部破碎所需要的应力水平较低，这种现象广泛存在于易液化土层。砂土液化过程在细观上体现在颗粒接触的断开，而颗粒在地震荷载下的局部破碎会影响颗粒接触点的力学行为，进而影响到砂土的液化过程。本项目基于在砂土液化问题的研究上，还缺少对颗粒局部破碎考虑的现状，拟采用离散元数值模拟，并以动扭剪物理试验作为参考，在常用的弹性接触模型的基础上，提出能够描述颗粒局部破碎的弹塑性接触模型；运用数值统计等方法，对砂土液化过程中，试样的组构变化特征与接触点的塑性变形做出定量化的研究。最终揭示颗粒局部破碎与砂土抗液化强度的关系。项目成果有助于进一步完善砂土的动力学理论，并从细观尺度，加深人们对砂土液化过程的认识。

砂土颗粒由于其脆性和天然缺陷，在外力作用下会发生颗粒破碎。颗粒破碎可以分为整体破碎和局部破碎。颗粒整体破碎要求粒间接触力的大小超过颗粒强度，因而通常发生在高应力状态下，或者颗粒强度较低的钙质砂中。颗粒局部破碎是由于接触点处的应力集中而导致的颗粒表面的研磨和棱角的断裂，磨损区域周围有碎屑产生，但颗粒形状和土体的级配曲线不会受到显著影响。.颗粒破碎对砂土力学特性有着显著的影响，大量研究表明，颗粒破碎会削弱土体剪胀性，降低土体的峰值内摩擦角，并进而弱化土体抗剪强度。关于颗粒破碎的研究大多集中颗粒整体破碎，而关于颗粒局部破碎的研究相对较少。通过砂土颗粒的接触挤压试验，学者们发现颗粒在接触点的力学行为会受到颗粒局部破碎的影响，其中一个显著影响是接触点的摩擦系数并不是定值，而是会随着粒间法向接触力的增加而降低。颗粒在相互挤压过程中会导致颗粒表面的棱角被抹平，颗粒表面粗糙度降低，进而导致摩擦系数的降低。.本研究通过构建摩擦系数弱化模型（FWM模型）来实现对颗粒局部破碎的模拟，将模型应用到砂土试样的数值模拟中，分析颗粒局部破碎对砂土试样静动力特性的影响。研究结果表明，在低围压下，摩擦弱化对砂土试样力学行为的影响有限。随着围压的增大，摩擦弱化的影响逐渐显著，考虑摩擦弱化的试样具有较低的峰值强度和较低的临界孔隙比。在细观层面，考虑摩擦弱化的试样具有更高的配位数和滑动接触比例，但试样的平均法向力较低。在动荷载作用下，考虑摩擦系数弱化的试样具有较低的抗液化强度，且对较高围压试样的影响更加显著，摩擦系数弱化导致的土体抗液化强度降低，反映了土体剪胀性的降低。