低围压下二元混合物中细颗粒含量对剪切强度影响的离散元研究

为什么微小颗粒对大型结构很重要

从铁轨到海堤，甚至月球着陆器，许多工程项目都依赖于砂砾堆积体。这些颗粒材料看似简单，但它们的强度不仅取决于主要颗粒的尺寸，还取决于混入的细小“细粒”数量以及周围压力对整体的挤压程度。本研究利用先进的计算模拟展示了细颗粒含量和围压的微小变化如何显著改变颗粒间的锁结方式，并提出了一种新的预测方法，用以判断此类材料何时会保持稳固或发生失稳。

工程师通常如何看待砂地

边坡、堤坝和基础的设计者依赖描述土体在受压时抵抗滑移的参数。在相对高的围压下，标准实验和简单公式能较好地适用，因此工程师常将这些结果外推到低围压区间。但现实问题如浅层滑坡、地震诱发液化或轻型结构下的沉降，经常发生在低围压范围。该范围的实验技术上困难，且易受试验装置摩擦的影响，测得的强度随围压下降呈曲线而非直线变化。此外，自然土壤几乎总含有风化与搬运产生的细粒，以往研究对于这些小颗粒是增强还是削弱土体强度并未达成一致。

用虚拟试验窥视颗粒骨架

为了解开这一谜团，作者采用了离散元方法，这是一种对成千上万单个颗粒及其相互作用力进行建模的数值方法。他们构建了由大颗粒和小球形颗粒按不同比例细粒组成的三维虚拟样本，并对其施加模拟三轴压缩试验以仿真实验室程序：制备样本、以选定围压均匀挤压四周，然后竖向压缩使其发生剪切。通过使用实际玻璃珠数据对颗粒接触属性进行精细校准，他们确保虚拟试验在较高围压下能重现实验室结果，随后系统地探究了10至1000千帕的围压范围和高达30%的细粒含量。

游离粒、隐含孔隙与变化的受力路径

模拟揭示并非所有颗粒都分担载荷。许多细颗粒以“游离粒”（rattlers）形式存在——它们坐落在大颗粒之间的孔隙中，接触数量不足以承载显著力。当细粒含量低或围压很小时，大多数细粒仍为游离粒，主要承载骨架由大颗粒单独承担。随着细粒增多，整体堆积先变稠密后又变松散，最紧密的排列出现在约25%细粒处。一个更具说明性的量是所谓的骨架空隙比，它将游离粒计入空隙部分。该量值随细粒增加而稳步下降，表明从以大颗粒为主的框架逐渐转向大颗粒与细颗粒共同沿接触链承载力的体系。

强度随围压与细粒含量的增长

当虚拟固结样本发生剪切时，其峰值强度呈现出一致的模式：在非常低的围压下，抗剪强度随围压急剧上升，达到某一临界围压后则趋于平缓。增加细粒提高了整体峰值强度，并且关键在于使强度趋于平稳的临界围压向较低值移动。对接触力的精细跟踪解释了原因。细–细接触对强度几乎没有贡献。相反，一旦围压增大到足以将游离的细粒压入周围框架，便会形成大–小颗粒之间的新接触，创造出额外的受力路径，强化现存的大–大接触链。对于约20%细粒的混合物，这种细粒的激活在相对有限的围压范围内迅速发生，解释了低围压下强度的快速上升和较早的稳定化现象。

面向低围压更安全设计的新指南

基于这些见解，作者提出了改进的强度公式，直接将峰值强度与围压和细粒含量联系起来。该方程捕捉了随围压而来的快速上升和平台化特征，同时也内含了细粒增加既提升强度又使临界围压向下移动的效应。将其拟合至所有模拟数据后，能高精度匹配结果。对非专业读者而言，关键结论是：土体中的微小颗粒以及看似微不足道的较低围压，都能显著影响地基是表现出弱态还是稳健。因而在砂性和粉土性地基上建造或填筑时，应明确考虑细粒与低围压效应，以实现更安全、更可靠的设计。

引用: Tiantian, H., Zhicheng, G., Chaojie, Z. et al. DEM study of fines content effects on shear strength of binary mixtures under low confining pressure. Sci Rep 16, 8356 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39817-5

关键词: 颗粒土强度, 砂中的细颗粒, 低围压, 离散元数值模拟, 岩土稳定性