珊瑚砂环境下桩土相互作用研究：颗粒尺寸与嵌固深度对单桩力学性能的影响

推荐 为解决珊瑚砂层在海洋工程中应用受限的问题，研究人员通过室内缩尺模型试验结合PIV技术，探讨了珊瑚砂粒径和桩体嵌固深度对单桩侧向荷载响应的影响。结果表明，粒径减小导致桩顶位移增加、弯矩增大，而嵌固深度不足会加剧桩身变形。研究为优化珊瑚砂地区桩基设计提供了理论依据，对海洋工程发展具有重要指导意义。

　　

论文解读
珊瑚砂（Coral sand）作为热带海洋地区广泛分布的特殊岩土介质，因其高孔隙率、高碳酸钙含量及低抗压强度特性，在海洋工程应用中面临诸多挑战。传统基于陆源砂的研究成果难以准确反映珊瑚砂环境下桩基的力学行为，尤其在侧向荷载作用下，其颗粒破碎模式与力链传递机制尚不明确。针对这一问题，中国学者开展了系统性实验研究，旨在揭示珊瑚砂颗粒特性与桩基响应间的定量关系。

该团队依托室内缩尺模型试验平台，结合粒子图像测速（Particle Image Velocimetry, PIV）技术，系统分析了三种不同粒径（5 mm、10 mm、20 mm）珊瑚砂及三种嵌固深度条件下单桩的力学响应。实验采用刚性桩模型，通过水平加载系统逐步施加侧向荷载，并利用应变片与位移传感器记录桩身弯矩、桩顶位移及周围土体变形数据。PIV技术通过连续捕捉土体颗粒位移场，直观呈现了不同粒径珊瑚砂在荷载作用下的应力传递路径与破坏模式。

研究结果表明，珊瑚砂粒径对桩基性能具有显著影响。随着粒径减小，桩顶最大弯矩增加18%-25%，桩身位移旋转点上移约12 cm，同时桩顶水平位移增幅达30%。微观机制分析显示，细颗粒珊瑚砂因颗粒间咬合作用较弱，导致荷载扩散效率降低，易形成局部应力集中区。在嵌固深度方面，当嵌固比低于0.3时，桩侧摩阻力下降40%，且荷载传递深度不足设计值的60%，表明浅层嵌固无法有效发挥深层土体的承载能力。

PIV技术提供的可视化数据进一步验证了理论分析结果。在5 mm粒径珊瑚砂试验组中，荷载作用下颗粒位移呈现明显的非均匀分布特征，桩周15 cm范围内形成高应变区，而深层土体变形梯度显著减小。这一现象与粗颗粒组形成鲜明对比，后者表现出更均匀的应力扩散模式。研究还发现，颗粒破碎产生的细颗粒对土体孔隙率具有双重作用：短期降低孔隙率增强侧摩阻力，但长期可能导致土体结构劣化。

研究结论指出，在珊瑚砂地区进行桩基设计时需重点考虑颗粒尺寸效应与嵌固深度的协同作用。建议采用粒径分级处理技术优化填砂性能，并通过增加嵌固深度或设置扩大头提高荷载传递效率。该成果为珊瑚礁区海洋平台、跨海桥梁等基础设施的桩基选型与优化提供了科学依据，对推动海洋岩土工程技术创新具有重要意义。

研究方法部分，团队采用模块化实验设计，包含九组对比试验，变量控制涵盖珊瑚砂粒径（5 mm/10 mm/20 mm）、桩长（L=1 m/1.5 m/2 m）及密实度（相对密实度Dr=0.3）。数据采集系统整合了应变测量模块（精度±0.5 με）、激光位移传感器（量程±50 mm）及高速摄像系统（帧率100 fps），确保多物理场参数同步获取。土体颗粒破碎分析借助扫描电镜（SEM）观察破碎形态，统计三种典型破碎模式（断裂型、磨蚀型、擦伤型）的分布频率。

该研究不仅完善了珊瑚砂土力学理论体系，其创新性体现在将PIV技术引入桩土相互作用研究领域。通过建立颗粒位移场与力学响应的映射关系，突破了传统宏观测试方法的局限性。研究成果已应用于南海岛礁风电基础设计规范修订，预计可使同类工程设计寿命延长15年以上。未来研究方向将聚焦于循环荷载作用下珊瑚砂的累积损伤机制及加固措施开发。