通过室内直剪试验研究敦刻尔克海滨沙的粗糙结构界面剪切行为

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Characterization of Dunkirk marine sand – rough structure interface shear behavior using laboratory direct shear test

　　苏里亚武特·普拉-艾|塔内特·通德茨里|克里斯托夫·达诺|奥莉安妮·詹克|马克·布隆|皮拉蓬·吉桑吉姆|科拉科德·努西特泰国帕尧大学工程学院RS2GH研究组摘要循环荷载作用下土-结构界面问题对土木工程的长期稳定性至关重要。本文针对邓克尔克海砂及粗糙结构表面，在恒定正应力（CNL）和恒定正应力刚度（CNS）条件下开展了一系列循环界面直剪试验。在CNS试验中，所施加的正应力刚度值是根据邓克尔克现场的桩基载荷试验结果确定的。通过循环应力控制加载方式，研究了初始正应力、平均循环应力比、循环幅值以及正应力刚度对界面行为的影响。研究发现，在循环荷载作用下界面表现为收缩行为。在正应力刚度较低的CNS试验中（k=143和500 kPa/mm），平均循环正应力出现轻微下降，表明应力平面内的应力状态变化较为缓慢。文中还探讨了实验室尺度下正应力逐渐降低的现象与作用在桩身上的侧向应力变化之间的关系，为解释邓克尔克现场轴压桩载荷试验中观察到的桩身抗力退化现象提供了物理解释。此外，这项参数研究还为颗粒土-结构相互作用数值模型的建立与验证提供了实验数据集。

引言土木工程结构（如桩基、土钉、挡墙和隧道等）的承载能力主要取决于土壤与结构接触面上的摩擦行为。土-结构界面处产生的摩擦力会引发强烈的应变局部化现象。波蒂翁迪[1]在一项开创性研究中采用了改进型的直剪装置，用于研究土-结构界面处的力学不连续性。后续研究表明，界面剪切强度受多种因素影响，包括结构表面的粗糙度、土壤类型、结构周边土壤的相对密度以及边界条件[[2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]]。尤其值得注意的是，结构表面的粗糙度会对界面响应产生显著影响[2,[9], [10], [11]]。通常情况下，粗糙界面会表现出硬化行为，而在某些情况下则可能先硬化后软化，最终达到临界状态[[12], [13], [14]]。

在实际应用中，陆上和海上结构的桩基常常会受到风、波浪、交通荷载以及机械作业等多种因素引起的循环荷载作用。在这种条件下，桩身抗力会逐渐下降，给桩基设计带来挑战。因此，开展大量的实验和数值研究对于准确描述循环荷载作用下的土-桩界面行为至关重要。许多研究人员和工程师通过大规模实验室试验以及现场桩基载荷试验为这一领域做出了重要贡献[[15], [16], [17], [18], [19]]。例如，里莫伊等人[20]使用校准试验室，研究了不同土壤类型和荷载条件对打入沙土中的桩基轴向循环响应的影响，重点分析了循环荷载作用下桩身摩擦力的演变规律。他们的研究结果表明，在持续循环荷载作用下，尽管循环次数增加，但沙土体内的有效应力状态依然保持稳定。加尔维斯-卡斯特罗等人[21]对顶升模型桩进行了系列单调荷载和循环荷载试验，发现循环荷载作用下桩基的极限抗力会随着循环位移幅值和循环次数的增加而降低。需要指出的是，这些大规模研究充分体现了循环荷载对桩基整体承载能力的显著影响。

在较小规模的研究中，人们采用了直剪、简单剪切和环剪等多种改进型实验室试验方法，来研究循环荷载作用下的土-桩界面行为[[22], [23], [24], [25], [26]]。这类试验能够提供多种可控条件，便于研究土壤与结构材料之间的摩擦行为。此外，这类试验在设置特定应力路径以及分析界面响应参数方面具有更大的灵活性。不过，传统在恒定正应力（CNL）条件下的界面剪切试验无法准确模拟桩身周围土壤的应力状态。为更好地描述土-桩行为，布隆和福雷[27]提出了一种引入预设正应力刚度（k）边界条件的直剪界面试验方法，即恒定正应力刚度（CNS）试验，如图1所示。在这种方法中，对于半径为R0、嵌入具有压力计模量EP的土壤中的桩，界面所受正应力变化（Δσn）与正应力位移变化（Δ[u]）之间的关系可用来确定所施加的正应力刚度k值：k=2EPR0=ΔσnΔ[u]。根据这一关系，界面试验中的关键边界条件可分为以下三类：（I）恒定正应力（CNL：k=0）；（II）恒定体积（CV：k=∞）；（III）恒定正应力刚度（CNS：k≠0）。需要说明的是，恒定体积剪切试验（即理想化的无限CNS条件）可以给出循环效应的上限估计值，同时也能近似反映饱和土壤中的不排水加载条件[29]。在CNS循环荷载试验中，多项研究都表明，随着土-结构界面处位移的累积，其剪切强度会逐渐下降[3,23,25,30,31]。此外，关于CNS条件下循环界面剪切荷载的微观结构特征以及三维本构建模也已有大量研究文献[[32], [33], [34], [35], [36]]。不过，这些研究大多仅关注较少的循环次数（N<100）。普拉-艾和布隆[28]则研究了在不同施加的正应力刚度值（k=1000、2000和5000 kPa/mm）作用下，颗粒土与粗糙结构材料之间界面行为的变化规律。他们的研究发现，在这些条件下正应力会出现下降现象。

虽然以往的研究已经阐明了循环幅值和应力比等关键参数对循环响应的影响，但这些研究主要针对较高的正应力刚度水平（k=1000 – 5000 kPa/mm）。实际上，最大应力比（ττmaxσn0，其中ττmax为最大剪应力，σσn0为初始正应力）以及相对于初始正应力的刚度值等参数似乎也在循环界面行为中起着重要作用，值得进一步研究。此外，目前还缺乏专门研究土-结构界面背景下桩身应力分布相关的循环剪应力条件的研究。本研究设计了一系列循环剪应力试验，旨在具体研究较大循环剪应力幅值以及相应应力比水平对界面行为的影响。结合现场轴压桩试验的现有数据[19,37,38]，研究了在初始正应力σσn0存在的情况下所施加的正应力刚度k的影响。实验结果是在邓克尔克现场轴压桩试验行为的背景下进行解读的，这为理解在无法直接测量桩-土界面应力时的桩身抗力演变规律提供了物理解释。此外，在经历一定周期的循环荷载作用后，还施加了较大的单调剪应力，以便研究循环后的响应特性。

设备与材料图2展示了本研究中使用的改进型界面直剪装置。该装置由一个直径为60毫米的上部剪切盒和一块下部钢板组成。正如以往研究所示，表面粗糙度对界面剪切行为有着重要影响。通常，表面粗糙度是用Rmax来表示的，即沿测量长度L=0.20毫米范围内最高点与最低点之间的高度差。上杉和岸田[39]提出了归一化表面粗糙度Rn=Rmax/...

试验步骤与应力变量在开展循环试验之前，首先在CNL和CNS条件下进行了一系列初步的单调试验。这些试验的目的是确定一些基本参数，比如峰值应力比ηηp、临界应力比ηηcr以及特征应力比ηηch。特征应力比ηηch是由卢昂[49]提出的，它用于划分剪切过程中界面处于收缩状态与膨胀状态的分界线。当应力比低于ηηch时，界面表现为收缩；而高于ηηch时，则表现为膨胀。

CNL循环试验结果图9展示了在初始平均循环正应力σσncm0为100 kPa的CNL条件下进行的典型试验结果。图中列出了100CL0/0.88（ηηcm0=0，Δη=0.88）、100CL0.44/0.44（ηηcm0=0.44，Δη=0.44）以及100CL0.44/0.88（ηηcm0=0.44，Δη=0.88）这几组试验结果，并将它们与相同CNL条件下的单调试验结果进行了对比。对于给定的初始平均循环应力比ηηcm0，可以看出循环幅值对界面响应有着显著影响，幅度越大...

讨论本研究在CNL和CNS条件下，通过对邓克尔克沙土与粗糙表面进行大量循环试验，分析了二者之间的循环界面行为。首先通过单调界面剪切试验来评估其基本行为，再利用从这些试验中获得的参数来设计循环试验方案。循环试验主要研究了平均循环应力比ηηcm0=0和ηηp2以及较大循环剪应力幅值Δη=ηηp2和≈ηp对界面行为的影响。

结论本研究主要在恒定正应力（CNL）和恒定正应力刚度（CNS）条件下，对致密的邓克尔克海砂与粗糙表面开展了循环界面直剪试验。这项参数研究不仅有助于解释邓克尔克现场的轴压桩试验结果，尤其是循环荷载作用下桩身沿轴向的有效侧向应力变化规律，同时还为理解土-结构相互作用提供了实验数据支持。

作者贡献声明苏里亚武特·普拉-艾：概念构思、数据整理、研究实施、方法设计、初稿撰写。塔内特·通德茨里：正式分析、方法设计、初稿撰写。克里斯托夫·达诺：论文审阅与编辑。奥莉安妮·詹克：论文审阅与编辑。马克·布隆：概念构思、初稿撰写。皮拉蓬·吉桑吉姆：论文审阅与编辑。科拉科德·努西特：论文审阅与编辑。

利益冲突声明作者声明自己不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢作者衷心感谢帕尧大学（FF255/2567项目）以及清迈大学和那勒顺大学的研究团队在资金支持及论文撰写方面给予的帮助。同时，作者也要感谢格勒诺布尔阿尔卑斯大学3S-R实验室的岩土力学研究小组在技术支持与实验室测试方面提供的帮助。此外，作者还对ANR SOLCYP项目所提供的邓克尔克沙土现场轴压桩试验数据表示由衷的感激。