制樣方法對(duì)砂土液化力學(xué)性質(zhì)影響的離散元模擬

葉 斌，宋思聰，倪雪倩

（1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410018）

砂土液化是一種破壞性很強(qiáng)的地質(zhì)災(zāi)害。砂土液化有可能引發(fā)大面積地基失穩(wěn)、建筑物倒塌、樁基滑移、地下管線上浮等工程問題，給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅。為了深入理解液化災(zāi)害的成因和機(jī)理，學(xué)者們針對(duì)砂土液化問題開展了大量的室內(nèi)試驗(yàn)研究。由于砂土不具有黏聚力，常規(guī)的取樣設(shè)備較難獲得原狀土樣，因此現(xiàn)有的室內(nèi)試驗(yàn)大多采用重塑法進(jìn)行試樣制備。學(xué)者［1-2］通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相同的應(yīng)力狀態(tài)和加載條件下，不同制樣方法制備的砂樣呈現(xiàn)出不同的液化行為和強(qiáng)度特征。這主要是由于不同制樣方法產(chǎn)生的不同初始結(jié)構(gòu)會(huì)影響砂土的力學(xué)行為特性［3-6］。目前，已有多種方法可對(duì)砂土細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接觀測(cè)。然而，這些方法大多只能獲取某一時(shí)刻或某一平面的試樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，無法觀測(cè)整個(gè)加載過程中細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化。此外，在試驗(yàn)中，大部分細(xì)觀結(jié)構(gòu)的獲取過程都不可避免會(huì)對(duì)試樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)。近年來，學(xué)者采用數(shù)值模擬方法研究土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，可避免以上研究中的不足。離散單元法作為一種能夠反映顆粒材料力學(xué)特性的方法［7］，在模擬和分析砂土材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化過程方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。PFC是最常用的離散元法軟件之一，不僅能模擬砂土的宏觀力學(xué)響應(yīng)，也能用于研究砂土試樣內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化特征。已有研究［8-11］證明離散單元法能有效模擬砂土在土工試驗(yàn)中的宏觀力學(xué)響應(yīng)，并能夠分析試樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征。然而，現(xiàn)有的研究大多關(guān)注土體的強(qiáng)度特征，針對(duì)制樣方法對(duì)砂土液化特性影響的分析報(bào)道較少。

因此，本文采用PFC2D軟件首先模擬了兩種常用制樣方法（濕搗法和落砂法）的試樣制備過程。接著，對(duì)制備好的試樣進(jìn)行不排水循環(huán)加載模擬，分析了不同密度和循環(huán)強(qiáng)度條件下，不同制樣方法制備的試樣的宏觀液化性質(zhì)和細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。最后，利用細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化特征解釋試樣的宏觀力學(xué)響應(yīng)，從而揭示制樣方法對(duì)砂土液化特性的影響機(jī)理。

1 制樣過程模擬

實(shí)際場(chǎng)地中的砂土顆粒具有不規(guī)則棱角，這將增加顆粒間的接觸數(shù)量和面積，進(jìn)而影響試樣的結(jié)構(gòu)分布和強(qiáng)度特征。因此，為了更符合實(shí)際情況，采用PFC2D軟件內(nèi)置的Clump功能，將三個(gè)圓形顆粒結(jié)合成不可破壞的近橢圓形顆粒，形狀如圖1所示，其中左右兩個(gè)次圓的切點(diǎn)為中間主圓圓心。研究表明［9-10］，峰值內(nèi)摩擦角和試樣發(fā)生破壞時(shí)的破壞應(yīng)變隨顆粒長(zhǎng)短軸比的變化而變化。當(dāng)顆粒長(zhǎng)短軸大于1.5 后，顆粒長(zhǎng)短軸的變化對(duì)峰值強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不明顯。因此，學(xué)者通常采用長(zhǎng)短軸為1.4 模擬具有亞菱角狀的顆粒材料，因此本研究設(shè)置顆粒長(zhǎng)短軸比l/h為1.4。基于已有研究［11-13］，砂土顆粒法向剛度設(shè)為2×108N·m-1，切向剛度設(shè)為1×108N·m-1，顆粒間摩擦系數(shù)設(shè)為0.5。為了防止顆粒在制樣及加載過程中溢出墻體，將墻體剛度進(jìn)行放大，并取顆粒與墻體摩擦系數(shù)為0以減小邊界效應(yīng)的影響。顆粒生成時(shí)依據(jù)面積等效原則，保證不規(guī)則clump 顆粒與直徑0.6～1.8mm 的圓形顆粒面積相當(dāng)，具體顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。本次模擬顆粒間應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用線彈性模型，其他參數(shù)如表1所示。

表1 顆粒參數(shù)Tab.1 Parameters of the simulation tests

圖1 顆粒示例及粒徑級(jí)配曲線Fig.1 Particle shape and particle size distribution curve

本文模擬了土工試驗(yàn)中兩種最常見的砂土制樣方法：落砂法和濕搗法。PFC 軟件中有墻體和顆粒兩種實(shí)體，模擬制樣時(shí)由顆粒模擬土體，墻體模擬容器，通過調(diào)整顆粒生成方式和墻體加載過程來模擬不同制樣方法。常用的模擬制樣方法有半徑膨脹法、重力沉積法、分層壓實(shí)法等［12-13］?；谕凉ぴ囼?yàn)中不同制樣方法的特點(diǎn)，在數(shù)值模擬中分別采用重力沉積法模擬落砂法，分層壓實(shí)法模擬濕搗法。

落砂法制樣步驟如下：

（1）生成左右及底部墻體，并于底部區(qū)域內(nèi)生成前述近橢圓形顆粒；

⑵施加重力讓顆粒自由下落；

⑶于較高區(qū)域生成新顆粒；

⑷新顆粒下落與舊顆粒均勻接觸；

⑸重復(fù)以上步驟至試樣達(dá)到預(yù)設(shè)高度，并于此高度生成頂部墻體，將所有位于墻體范圍外顆粒刪除，至此落砂法制樣完畢。

濕搗法步驟如下：

⑴生成四周墻體，并于底部生成近橢圓形顆粒；

⑵其他三面墻體不動(dòng)，頂部墻體下壓至設(shè)定高度，壓實(shí)顆粒；

⑶頂部墻體重新上升，于較高處空間生成新顆粒；

⑷墻體再次下降并壓實(shí)顆粒；

⑸重復(fù)以上步驟直到試樣到達(dá)指定高度，至此濕搗法制樣完畢。

兩種方法的實(shí)現(xiàn)過程示意圖如圖2 所示。其中，落砂法依靠顆粒自身重力完成壓實(shí)過程，而濕搗法則通過墻體施壓來壓實(shí)土樣。試樣尺寸為40×80 mm，共約2 100 個(gè)顆粒。制樣完成后，通過施加200 kPa的墻體圍壓進(jìn)行試樣固結(jié)。本文共設(shè)置4個(gè)模擬試樣，分別為落砂法制備的中密砂（e=0.167）和密砂（e=0.155），濕搗法制備的中密砂（e=0.167）和密砂（e=0.153）。

2 循環(huán)加載試驗(yàn)結(jié)果

本文對(duì)落砂法和濕搗法生成的4 個(gè)試樣，分別進(jìn)行了不排水循環(huán)加載試驗(yàn)?zāi)M。其中，循環(huán)加載速率通過設(shè)置墻體的移動(dòng)速度來實(shí)現(xiàn)，不排水條件通過保持試樣面積在循環(huán)加載過程中不變來實(shí)現(xiàn)［14］。模擬試驗(yàn)考慮了密砂和中密砂兩種初始狀態(tài)，以及動(dòng)應(yīng)力比（CSR）為0.20 和0.15 兩種加載情況。循環(huán)加載過程采用等應(yīng)力幅值控制。加載時(shí)，上下墻體向內(nèi)收縮，左右墻體向外擴(kuò)張，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)動(dòng)應(yīng)力比時(shí)，所有墻體速度反向，以實(shí)現(xiàn)卸載過程。在同等密實(shí)度條件下，濕搗法和落砂法試樣的應(yīng)力狀態(tài)和加載條件完全一致，其中中密砂的CSR 為0.15，密砂的CSR 為0.20。中密砂和密砂的應(yīng)力路徑和孔壓時(shí)程曲線如圖3 和4所示。

圖3 中密砂試樣應(yīng)力路徑和孔壓時(shí)程曲線Fig.3 Stress paths and pore water pressure history of medium dense sand

從圖3可以看出，濕搗法試樣到達(dá)液化狀態(tài)（雙幅軸向應(yīng)變?yōu)?%）所需的循環(huán)數(shù)Nc比落砂法更大，這意味著在相同應(yīng)力狀態(tài)條件下，濕搗法制備的試樣比落砂法試樣強(qiáng)度更高，更能抵抗外力荷載的作用。根據(jù)Ni等［15］研究，砂土在第一循環(huán)內(nèi)的超孔壓累積量影響其到達(dá)相變線的速度，從而影響抗液化強(qiáng)度。從濕搗法和落砂法試樣在第一循環(huán)內(nèi)有效應(yīng)力的下降量（即超孔壓的增長(zhǎng)量）可見，落砂法試樣更快到達(dá)相變線，因此更快發(fā)生液化。圖4 所示為密實(shí)狀態(tài)下兩種砂的應(yīng)力路徑，可以發(fā)現(xiàn)類似的強(qiáng)度規(guī)律。值得注意的是，濕搗法制備的試樣到達(dá)液化的Nc比落砂法大，且兩者的差距在密砂中體現(xiàn)得更明顯，這與Ni等［16］進(jìn)行的室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)（如圖5所示）得出的結(jié)論一致。綜上，在中密實(shí)及密實(shí)狀態(tài)下，濕搗法制備的砂樣結(jié)構(gòu)性更強(qiáng)，能抵抗更大的外力荷載作用。

圖4 密砂試樣應(yīng)力路徑和孔壓時(shí)程曲線Fig.4 Stress paths and pore water pressure history of dense sand

圖5 中密砂和密砂的應(yīng)力路徑（動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果［16］）Fig.5 Stress paths of medium dense and dense sands (cyclic triaxial test results[16])

3 細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析

為了深入理解上節(jié)中觀測(cè)到的宏觀力學(xué)行為，本節(jié)通過一系列細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征分析不同制樣方法生成的試樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)差異性，主要包括顆粒長(zhǎng)軸方向、顆粒接觸法向方向和顆粒配位數(shù)。

利用DEM能夠采集到試樣的結(jié)構(gòu)特征，通過統(tǒng)計(jì)和分析這些結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)一步可得試樣的孔隙率、配位數(shù)、顆粒長(zhǎng)軸方向、顆粒接觸方向等各種結(jié)構(gòu)參數(shù)。Rothenburg［17］在研究中指出，頻率分布圖能夠描述平面細(xì)觀結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律。對(duì)于顆粒長(zhǎng)軸方向及接觸法向分布，可由公式（1）進(jìn)行傅里葉變換來近似。

式中：E(θ)為分布的頻率函數(shù)；θa為粒分布的主方向；a為顆粒分布的各向異性系數(shù)，a值越大，各向異性程度越大，滿足：

3.1 顆粒長(zhǎng)軸方向分布特征

為了觀察循環(huán)加載過程中細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化及演化規(guī)律，在圖4的應(yīng)力路徑圖中，取偏應(yīng)力為壓縮側(cè)幅值對(duì)應(yīng)為A 系列點(diǎn)，拉伸側(cè)幅值對(duì)應(yīng)B 系列點(diǎn)和加載對(duì)稱軸對(duì)應(yīng)C 系列點(diǎn)，共計(jì)15 組應(yīng)力狀態(tài)。A系列點(diǎn)分別標(biāo)記為A1（主應(yīng)力200 kPa）、A2（主應(yīng)力150 kPa）、A3（主應(yīng)力100 kPa）、A4（初始液化狀態(tài)）和A5（液化后第3個(gè)循環(huán)）。B、C系列點(diǎn)與A系列對(duì)應(yīng)的點(diǎn)處于同一加載循環(huán)內(nèi)。

圖6為濕搗法制備的中密砂試樣在循環(huán)加載過程中顆粒長(zhǎng)軸方向分布圖。由顆粒長(zhǎng)軸方向獲取的各向異性系數(shù)a反映了試樣整體顆粒分布的各向異性程度。隨著循環(huán)荷載的進(jìn)行，試樣強(qiáng)度逐漸下降，但液化前（點(diǎn)1～3）顆粒長(zhǎng)軸方向分布沒有明顯的變化，在此期間試樣變形不明顯。當(dāng)試樣到達(dá)初始液化狀態(tài)（點(diǎn)4～5），顆粒長(zhǎng)軸方向分布發(fā)生明顯的變化，當(dāng)進(jìn)行到壓縮側(cè)時(shí)（A點(diǎn)），顆粒長(zhǎng)軸偏向水平分布，a值較液化前逐漸增大；當(dāng)進(jìn)行到拉伸側(cè)時(shí)（B點(diǎn)），顆粒長(zhǎng)軸趨于豎直分布，a值較之前也逐漸增大；當(dāng)加載到對(duì)稱軸時(shí)（C點(diǎn)），顆粒長(zhǎng)軸分布也偏向水平方向，與壓縮側(cè)（A 點(diǎn)）趨勢(shì)更接近?；贗shihara和Okada［18］的研究，應(yīng)力狀態(tài)在拉、壓兩側(cè)的相變線之間變化時(shí)，土體的變形較小，結(jié)構(gòu)變化不明顯；當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)越過相變線后，試樣結(jié)構(gòu)分布發(fā)生明顯變化，較大的變形將被觀察到。圖6 所示結(jié)果可直觀上描述應(yīng)力狀態(tài)在相變狀態(tài)前后的顆粒分布特征。

圖7所示為不同試樣在A、B和C狀態(tài)點(diǎn)顆粒長(zhǎng)軸方向的各向異性系數(shù)a變化圖。其中0 位置代表砂土加載前的初始各向異性系數(shù)，1～5 表示的位置如圖4 所示。從圖7 中可以看到，對(duì)于同種制樣方法，密度越高，試樣的初始各向異性系數(shù)越大，即各向異性程度越高。在相同密度條件下，濕搗法試樣的a值比落砂法的小，說明濕搗法制備的試樣顆粒長(zhǎng)軸分布更趨于各向同性，這與室內(nèi)試驗(yàn)中濕搗法的結(jié)構(gòu)特征類似。整體而言，砂土到達(dá)液化狀態(tài)之前（點(diǎn)1～3），各向異性系數(shù)相差不大。結(jié)合顆粒長(zhǎng)軸方向分布圖特征可知，此時(shí)顆粒尚未產(chǎn)生明顯的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)試樣到達(dá)液化狀態(tài)后（點(diǎn)4～5），濕搗法試樣的各向異性系數(shù)略有所上升，壓縮側(cè)、拉伸側(cè)以及加載對(duì)稱軸上試樣的a值差別不大，但由圖6可知其分布方向不同。落砂法試樣在壓縮側(cè)（點(diǎn)A）和加載對(duì)稱軸（點(diǎn)C）的a值幾乎一致，但隨液化程度的加大呈下降趨勢(shì)。不同的是，試樣在拉伸側(cè)（點(diǎn)B）的a值出現(xiàn)了明顯的下降，此時(shí)顆粒長(zhǎng)軸發(fā)生了明顯變化，部分顆粒發(fā)生轉(zhuǎn)向不再偏水平分布。此外，對(duì)于中密砂和密砂，拉伸側(cè)的a值下降的幅度相近。由此可見，液化后砂土試樣的結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的破壞和重組。對(duì)于未經(jīng)受液化歷史的砂土，砂土液化強(qiáng)度取決于土體的初始結(jié)構(gòu)特征，各向異性程度越高，抵抗外力荷載的能力越差。

圖6 濕搗法試樣循環(huán)加載過程中顆粒長(zhǎng)軸方向分布（中密砂）Fig.6 Distribution of long axis direction of layered sand particles during cyclic loading (medium dense sand)

圖7 試樣在不同位置點(diǎn)處的顆粒長(zhǎng)軸方向各向異性系數(shù)變化Fig.7 Relationship between anisotropy coefficient of long axis direction and the loading locations for sand samples

3.2 顆粒接觸法向方向分布特征

在PFC 模擬中，顆粒接觸力定義為顆粒與墻體或顆粒之間根據(jù)接觸來傳遞相互作用力。基于式（2）～（3）和接觸力法向（即接觸力的方向）分布圖獲取的各向異性系數(shù)a，能夠反映試樣內(nèi)部顆粒間接觸力方向分布的均勻程度。圖8為濕搗法制備的中密砂試樣在循環(huán)加載過程中接觸法向的分布圖?？梢钥吹剑S著循環(huán)加載的進(jìn)行，在A、B、C應(yīng)力狀態(tài)點(diǎn)，砂顆粒間接觸法向分布的各向異性系數(shù)a逐漸增加。當(dāng)試樣進(jìn)入液化狀態(tài)后（點(diǎn)4～5），由于外力荷載作用方向的不同，A、B 點(diǎn)的接觸法向方向分布完全不同，試樣在壓縮側(cè)（點(diǎn)A）的接觸法向集中在豎直方向分布，在拉伸側(cè)（點(diǎn)B）則集中在水平方向分布。試樣在加載對(duì)稱軸（點(diǎn)C）的接觸法向分布與壓縮側(cè)類似。液化后由于各向異性系數(shù)已處于較大值，呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖9為不同試樣在A、B和C狀態(tài)點(diǎn)接觸法向的各向異性系數(shù)a變化圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于相同制樣方法制備的試樣，密實(shí)度越高，各向異性系數(shù)a越大。而對(duì)于相同密度的砂土，落砂法試樣的a值大于濕搗法，即濕搗法試樣的接觸法向在各個(gè)方向分布更均勻。到達(dá)液化之前（點(diǎn)1～3），濕搗法試樣A點(diǎn)的a值較初始值大約增長(zhǎng)了0.12，B點(diǎn)的a值亦有所增加但增量小于A點(diǎn)，C點(diǎn)變化不明顯，各位置點(diǎn)各向異性系數(shù)整體呈上升趨勢(shì)。對(duì)于落砂法試樣，A 狀態(tài)的a值均增大了0.08，增長(zhǎng)幅度雖小于濕搗法，但實(shí)際數(shù)值仍大于濕搗法試樣，然而B狀態(tài)點(diǎn)明顯下降了0.15，這主要是受到軸向拉伸荷載的作用，C狀態(tài)點(diǎn)稍有下降但變化不大。密實(shí)度大小則對(duì)液化前各位置點(diǎn)的a值變化幅度及演化規(guī)律影響不大。

當(dāng)試樣發(fā)生液化后（點(diǎn)4～5），所有試樣在A、B、C狀態(tài)處的a值均顯著增大，說明土體發(fā)生液化破壞了初始的顆粒接觸結(jié)構(gòu)，重新形成的接觸法向在軸向壓縮側(cè)（點(diǎn)A）集中于豎直方向分布，在拉伸側(cè)（點(diǎn)B）則集中在水平方向，呈明顯的各向異性分布。此時(shí)，濕搗法和落砂法制備的中密砂試樣在A、B、C狀態(tài)點(diǎn)的各向異性系數(shù)a差別不大，但落砂密砂試樣的a值略大于濕搗密砂試樣。

由圖6 及圖8 可以發(fā)現(xiàn)，施加循環(huán)荷載后，砂顆粒接觸法向的a值在液化前（點(diǎn)1～3）緩慢增長(zhǎng)，并且在壓縮側(cè)（點(diǎn)A）偏向豎直，在拉伸側(cè)（點(diǎn)B）偏向水平，但是在拉、壓兩側(cè)的顆粒長(zhǎng)軸方向沒有明顯差異，說明接觸法向的變化先于顆粒長(zhǎng)軸方向。液化后（點(diǎn)4～5）接觸法向a值顯著增大，各向異性程度明顯，顆粒長(zhǎng)軸方向a值亦開始增長(zhǎng)，但幅值仍小于前者。其中，砂顆粒在點(diǎn)A 狀態(tài)的接觸力呈豎直方向分布，而顆粒長(zhǎng)軸方向趨向水平分布，B點(diǎn)的方向分布正好相反。換言之，試樣受到循環(huán)荷載后，內(nèi)部接觸力各向異性程度增加，導(dǎo)致試樣強(qiáng)度下降。當(dāng)試樣進(jìn)入初始液化狀態(tài)后，顆粒長(zhǎng)軸受接觸力影響在重排列時(shí)也表現(xiàn)出更大的各向異性。無論是接觸法向還是顆粒長(zhǎng)軸方向，各向同性結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度，但接觸法向的影響較為明顯。

綜合圖7 與圖9 可知，相同制樣方法制備的砂樣，密實(shí)度越高，初始各向異性系數(shù)越大；在密實(shí)度相同條件下，落砂法試樣的初始各向異性系數(shù)大于濕搗法。在循環(huán)荷載作用下，落砂法試樣在點(diǎn)A、C狀態(tài)的a值增長(zhǎng)幅度略小于濕搗法，但因其初始各向異性系數(shù)較大，a值仍高于濕搗法。結(jié)合圖3和圖4的應(yīng)力路徑圖發(fā)現(xiàn)，在相同的應(yīng)力狀態(tài)及加載條件下，顆粒接觸法向分布各向異性系數(shù)a值較小的試樣到達(dá)液化所需的循環(huán)數(shù)Nc比系數(shù)較大的試樣更多。換言之，各向異性程度越小，砂土抗液化能力越強(qiáng)。

3.3 顆粒配位數(shù)特征

配位數(shù)為試樣接觸總數(shù)與顆粒總數(shù)的比值，是反應(yīng)試樣結(jié)構(gòu)特性的定量參數(shù)之一。配位數(shù)越大，每個(gè)顆粒與其他顆粒的平均接觸就越多，顆粒間越難產(chǎn)生相對(duì)位移，試樣配位數(shù)的下降往往伴隨試樣強(qiáng)度的降低。

圖10給出不同試樣配位數(shù)隨運(yùn)算步數(shù)變化圖，其中虛線標(biāo)記了試樣進(jìn)入液化狀態(tài)時(shí)的運(yùn)算步數(shù)。圖10 a 為濕搗法中密砂試樣的變化圖。如圖所示，在初始加載階段，試樣配位數(shù)與初始配位數(shù)相近，維持在3.7 附近，顆粒間接觸緊密，試樣具有較高強(qiáng)度，能夠抵抗外力荷載的作用。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，配位數(shù)減小至3左右，顆粒間仍接觸較充分。當(dāng)試樣進(jìn)入液化狀態(tài)時(shí)，配位數(shù)急劇下降至1以下，此時(shí)顆粒已與周圍顆粒無直接接觸，呈“懸浮”狀態(tài)，試樣強(qiáng)度急劇喪失。接著軸向應(yīng)變?cè)龃?，顆粒間重新形成接觸直至足夠承擔(dān)外部施加的循環(huán)荷載，配位數(shù)回升至3附近，此后配位數(shù)往復(fù)波動(dòng)于0～3之間。同樣對(duì)于中密砂，落砂法制備的試樣配位數(shù)如圖10c所示，試樣配位數(shù)隨循環(huán)荷載作用呈持續(xù)下降趨勢(shì)，配位數(shù)無維持階段。進(jìn)入循環(huán)液化后，配位數(shù)在0～3之間循環(huán)波動(dòng)。對(duì)于密砂，濕搗法和落砂法試樣的配位數(shù)在加載過程中的變化規(guī)律與密砂類似。濕搗法密砂試樣的配位數(shù)下降速度遠(yuǎn)小于落砂法密砂試樣。

比較圖中虛線位置可以發(fā)現(xiàn)，隨著密實(shí)度的增大，濕搗法試樣的強(qiáng)度急劇上升，因此中密砂與密砂之間的強(qiáng)度差別越來越大。而對(duì)于落砂法，中密砂與密砂之間的抗液化強(qiáng)度差別相對(duì)較小，這與Ni等［17］的試驗(yàn)結(jié)果一致。根據(jù)Ni等［17］的研究，這種差別主要是由于土體各向異性程度、局部孔隙分布以及孔隙大小的變化造成的。

濕搗法試樣與落砂法試樣的對(duì)比結(jié)果表明，即使初始配位數(shù)幾乎相同，濕搗法試樣比落砂法試樣配位數(shù)下降更緩慢，具有更高的抗液化強(qiáng)度，到達(dá)液化需要更多次數(shù)的循環(huán)荷載。液化以后各試樣配位數(shù)均隨循環(huán)荷載反復(fù)波動(dòng)，波動(dòng)范圍及趨勢(shì)相近。

4 結(jié)論

本文利用離散元方法模擬了落砂法和濕搗法兩種制樣方式，對(duì)這兩種不同方式制備的試樣進(jìn)行了不排水循環(huán)加載試驗(yàn)，分析了土體的應(yīng)力路徑，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及其液化強(qiáng)度特征。并且采集了從初始試樣到加載至液化后全過程的細(xì)觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，分析了顆粒長(zhǎng)軸方向、接觸法向以及試樣配位數(shù)隨循環(huán)荷載作用的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）密砂及中密砂試樣在相同的應(yīng)力條件下，濕搗法所得試樣達(dá)到液化狀態(tài)所需的加載循環(huán)數(shù)Nc大于落砂法，且密砂的循環(huán)數(shù)差距大于中密砂。無論是落砂法還是濕搗法，液化后密砂的軸向應(yīng)變幅值均小于中密砂。

（2）濕搗法試樣的顆粒長(zhǎng)軸方向分布更趨向各向同性，而落砂法顆粒明顯偏向水平，各向異性系數(shù)較大。濕搗法試樣的接觸法向分布無明顯偏向，各向異性系數(shù)較小，落砂法接觸法向偏豎直方向，各向異性系數(shù)更大。兩種制樣方法隨著密度的增加，顆粒長(zhǎng)軸方向和接觸法向的各向異性系數(shù)都有所增加。

（3）顆粒接觸法向的各向異性系數(shù)在加載后即開始上升，增長(zhǎng)到一定程度后試樣液化，軸向應(yīng)變?cè)龃螅藭r(shí)顆粒長(zhǎng)軸方向才發(fā)生變化。接觸法向的變化先于顆粒長(zhǎng)軸方向的變化，且影響了其變化趨勢(shì)。（4）對(duì)于初始配位數(shù)相近的試樣，液化前濕搗法所得試樣受循環(huán)荷載時(shí)配位數(shù)下降較落砂法更緩慢，需要更多的循環(huán)數(shù)才能液化，具有更強(qiáng)的抗液化性能。液化后各試樣配位數(shù)波動(dòng)范圍和趨勢(shì)較為一致。

作者貢獻(xiàn)聲明：

葉斌：研究思路指導(dǎo)及論文修訂。

宋思聰：數(shù)值模擬及論文撰寫。

倪雪倩：研究?jī)?nèi)容制定及算例驗(yàn)證。