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Effect of fines content on reliquefaction resistance and consolidation–reconsolidation behavior of silty sand

本研究探讨了增加细粒含量（最高达35%）如何增强粉质砂的再液化抗力并改变其固结-重固结行为，揭示出当细粒含量达到25%且所提出的各向异性系数比低于1时，其抗力超过了初始液化阈值。

原作者： Yeming Zhong, Xueqian Ni, Sheng Zhang, Zhao Zhang, Feng Zhang, Feng Shan

发布于 2026-09-03

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原作者： Yeming Zhong, Xueqian Ni, Sheng Zhang, Zhao Zhang, Feng Zhang, Feng Shan

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

我们脚下的土地并不总是像看起来那样坚实。在某些条件下，当地震发生时，被困在土壤颗粒之间的水分会产生极高的压力，导致土壤暂时失去强度，开始表现得像一种粘稠的液体。这种被称为“液化”的现象会导致建筑物下沉和道路开裂。几十年来，工程师们一直认为，一旦一处地面发生液化并重新沉降，它会变得更加致密且更安全，从而有效地增强对未来震动的抵抗力。然而，在重大地震后的现实观察挑战了这一令人安心的想法。在某些地方，地面在较小的余震期间再次发生液化，造成了进一步的破坏。这种现象在沙子和细粉砂颗粒混合的土壤中尤为令人困惑。虽然纯沙子的行为已被充分理解，但这些混合土壤的表现非常复杂，高度取决于其中含有多少细粉砂，这使得工程师们在如何保护建造在其上的结构方面感到茫然。

来自中国中南大学和同济大学的研究团队致力于通过深入研究不同含量的粉砂如何改变沙子在经历过一次液化后的行为，来解决这个谜题。他们准备了八种不同的沙子和粉砂混合物，范围从纯沙到含有百分之三十五粉砂的混合物。他们使用一种能够模拟地震摇晃的专业机器，对这些土壤样本进行了第一轮摇晃，直到它们发生液化。在摇晃停止后，他们让水压消散，并让土壤重新沉降回固体状态，这个过程被称为“固结”。然后，他们对完全相同的样本进行了第二次摇晃，以观察它们对第二次地震的反应。其目标是确定土壤在第一次事件后是变得更强还是更弱，以及粉砂含量如何影响这一结果。

结果揭示了一个完全取决于混合物中粉砂含量的惊人行为转变。对于粉砂含量较低的样本，土壤的表现符合预期：在第一次液化后变得更弱，并在第二次摇晃期间更快地失效。然而，随着研究人员增加粉砂含量，一个转折点出现了。当粉砂含量达到百分之二十五或更高时，土壤在面对第二次液化时的抵抗力实际上比第一次时更高。在这些高粉砂混合物中，地面可以承受更多的摇晃周期而不发生第二次失效，这挑战了“液化后的土壤总是更容易受到后续事件影响”的传统假设。研究人员发现，这种抗性的提高并非随机发生的，而是遵循一个与土壤内部结构相关的清晰模式。

为了理解为什么会发生这种情况，团队观察了土壤颗粒在摇晃前后的排列方式。他们发现，粉砂的存在改变了沙粒接触和堆积的方式。在低粉砂含量的混合物中，摇晃会产生一种特定的内部排列，使得土壤在再次摇晃时变得不稳定。但在高粉砂含量的混合物中，细小颗粒就像一层涂层包裹在较大的沙粒周围。这种涂层改变了颗粒之间的接触点，并改变了土壤压缩的方式。在第一次液化及随后的沉降之后，这种带有涂层的结构创造了一种出人意料的稳定新排列。研究人员通过比较在沉降过程中土壤垂直挤压的程度与水平蠕动的程度，引入了一种衡量这种稳定性的新方法。他们发现，当这个比例下降到一定水平以下时，土壤在面对第二次地震时必然会变得更强。

该研究还利用强大的成像技术观察了土壤的微观世界，以查看颗粒排列的微小细节。他们观察到，在高粉砂混合物中，细颗粒有效地包裹住了沙粒，使它们彼此隔离。这种涂层防止了沙粒形成通常会导致第二次摇晃时快速失效的不稳定柱状结构。相反，土壤维持了一个更加均匀且稳固的内部织构。这种微观视角证实了粉砂不仅仅是填充空隙，它还积极地重塑了土壤的骨架，改变了土壤应对应力的方式。研究结果表明，对于高粉砂含量的土壤，如果土壤在初始事件后有足够的时间进行沉降和重组，其再次液化的风险可能比之前认为的要低。

这项研究为混合土壤在重复地震压力下的行为提供了更清晰的图景。它挑战了“所有液化地面都会永久变弱”的旧规则，并表明土壤的具体成分（特别是粉砂的含量）在恢复过程中起着决定性作用。通过确定土壤变得对第二次摇晃更具抵抗力的特定阈值，该研究为工程师评估地震多发地区地基的长期安全性提供了一种新工具。这项工作强调了地面不是一个静态物体，而是一个动态系统，它可以根据材料内部的精确平衡进行自我重组，有时甚至能在受到干扰后变得更加坚固。

技术摘要：细粒含量对粉砂质砂土液化抗性及固结-再固结行为的影响

问题陈述
传统的液化理论认为，土壤在发生第一次液化事件后会发生密实化，从而提高其对未来液化的抵抗力。然而，野外观测结果与此相矛盾，显示粉砂质砂场地在随后的余震中可能会发生再次液化。虽然针对洁净砂的实验室研究表明，由于结构重组和应力诱导各向异性的影响，洁ial砂在第一次液化事件后的液化抗性通常会显著降低，但控制这些过程的机制在粉砂质砂中的研究仍较少。具体而言，细粒含量（FC）对过渡性砂-粉混合物固结/再固结行为及液化抗性的影响仍需进一步阐明。

研究方法
本研究采用一系列非排水循环三轴试验，研究了八种由福建砂和海相沉积粉砂组成的混合物，其细粒含量（FC）范围为 0% 至 35%。试样采用湿夯法制备，以控制密度并防止离析。测试方案包括：

初始固结： 在 100 kPa 的有效平均应力下进行等向固结。
第一次液化： 应用循环应力控制加载（正弦波，0.01 Hz），循环应力比（CSR）为 0.20 和 0.10。液化定义为双幅轴向应变达到 5%。
再固结： 打开排水通道，使试样在 100 kPa 围压下进行再固结。
再次液化： 对相同试样施加完全相同的循环加载，以模拟第二次地震事件。
微观结构分析： 使用扫描电子显微镜（SEM）观察 FC 在 20% 至 35% 之间的试样在液化前后的中观织构变化（颗粒接触模式、孔隙结构和取向）。

主要贡献与结果

细粒含量与液化抗性： 研究揭示了细粒含量与液化抗性之间存在非单调关系。在第一次液化期间，随着 FC 从 0% 增加到 15%，抗性通常呈下降趋势，并在 15% 时发生向流变液化的转变。然而，对于 FC ≥ 20% 的情况，抗性开始增加。关键在于，研究确定了一个阈值，即 FC = 25%。低于该阈值时，再次液化抗性低于第一次液化抗性。高于该阈值（FC ≥ 25%）时，再次液化抗性超过了第一次液化抗性，并随着 FC 的升高而持续增加。
应变发展与各向异性：
- 体积应变： 压缩性随 FC 的增加而增加。在再固结过程中，体积应变始终高于初始固结时的体积应变，尤其是在 FC > 20% 时。
- 各向异性演化： 研究通过分析体积应变与轴向应变之比 ( $\epsilon_v/\epsilon_a$ ) 来量化各向异性。在“类砂”区域（较低 FC），固有各向异性最初下降后随 FC 增加而上升。在“类粉”区域（较高 FC），固有各向异性则呈现下降趋势。
- 应力诱导各向异性： 液化后，应力诱导各向异性在类砂区域随 FC 增加而增强，但在类粉区域则持续减弱。洁净砂表现出比粉砂质砂更高的应力诱导各向异性，这表明细粒削弱了这种各向异性的表达。
提出的指标 ( $R_{ac}$ )： 作者引入了一个各向异性系数比 $R_{ac}$ ，定义为再固结期间的体积-轴向应变比与初始固结期间该比值的比值。
- $R_{ac}$ 随 FC 的增加而持续下降。
- 研究确定了一个临界条件：当 $R_{ac} < 1$ 且 $FC \ge 25\%$ 时，再次液化抗性超过第一次液化抗性。反之，当 $R_{ac} > 1$ （通常对应 $FC < 25\%$ ）时，再次液化抗性低于第一次液化抗性。
中观织构机制： SEM 观察为高 FC 情况下的抗性增加提供了物理层面的解释。
- 液化前： 在类砂土壤中，细粒充当填充物。在类粉土壤（FC ≥ 25%）中，细粒取代砂颗粒成为主要的骨架组成部分，形成包裹砂颗粒的聚集体。
- 液化后： 再固结过程创造了排水通道并使土壤致密化。在高 FC 试样中，细粒在砂颗粒周围形成了包覆层，使接触模式从点接触/弥散接触转变为紧密的面接触。这种包覆层破坏了砂骨架的连续性，阻止了应力诱导各向异性的有效传递。因此，各向异性的宏观表现被削弱，从而导致了更高的再次液化抗性。

意义
本文声称，理解各向异性的演化以及细粒含量的具体作用，对于预测地震带基础土体的长期稳定性至关重要。通过提出 $R_{ac}$ 作为指标，本研究提供了一种评估粉砂质砂土潜在再次液化风险的方法。研究结果表明，对于高细粒含量（ $FC \ge 25\%$ ）且低 $R_{ac}$ 的土壤，通常与抗性降低相关的应力诱导各向异性不再是主导因素。这一见解有助于在地震活跃地区实施差异化的治理策略，特别是针对易发生多次液化事件的场地。研究强调，液化抗性的演化不仅是固结过程中密度变化的功能，还与由主震引起的土壤结构重组和颗粒排列改变等内在机制密切相关。

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