实验研究及微观力学建模：硅砂堆界面剪切行为的影响因素——相对密度、界面粗糙度、正应力及平均粒径的作用

《Ocean Engineering》：Experimental study and micromechanical modeling of silica sand-pile interface shearing behavior: effects of relative density, interface roughness, normal stress, and mean particle size

土壤-桩体界面剪切行为研究：实验与微观力学模型结合分析相对密度、正应力、界面粗糙度和平均颗粒直径的影响。实验表明，界面粗糙度显著提升摩擦角，但存在临界阈值（Rn阈值与D50正相关），超过后摩擦角趋近纯土值；正应力增加同时提升峰值和残余剪切强度。提出的微观力学模型基于表面接触力学，通过统计粗糙度参数与接触关系预测剪切行为，验证了其在低和高Rn条件下的适用性，但未考虑土体非线性和颗粒破碎。结论强调界面设计需平衡粗糙度与颗粒尺寸，模型为工程应用提供新工具。

　　### 解读：砂与桩的界面剪切行为及其影响因素

在海洋工程领域，钢桩被广泛应用于海上平台和风力发电机的基础建设中。桩与海床土之间的界面剪切行为是决定这些结构承载能力和稳定性的重要因素。本研究通过实验分析和微机械建模相结合的方法，深入探讨了相对密度、法向应力、界面粗糙度以及平均粒径对界面剪切行为的影响。通过实验数据和模型预测的对比，研究不仅验证了模型的适用性，还进一步揭示了土-桩相互作用的机制。

#### 砂与桩的界面剪切行为的重要性

砂与桩的界面剪切行为在海洋工程中具有重要地位。这一行为决定了结构在受到外部载荷时的承载能力及稳定性。在实际应用中，当结构受到剪切力时，界面剪切行为是将剪切区的剪应力转化为有效承载力的关键过程。此外，剪切区内的砂颗粒在受到剪切力时，其变形和位移也受到界面剪切行为的直接影响。因此，深入研究界面剪切行为不仅有助于理解结构的力学性能，还能够为结构设计和施工提供理论支持。

#### 实验研究与建模方法

为了更好地研究界面剪切行为，本研究设计了一套多功能的界面直接剪切装置。该装置由主框架、加载系统、测量系统和数据采集系统组成。通过该装置，研究人员可以系统地分析不同条件下的剪切行为，包括法向应力和界面粗糙度的变化。在实验中，研究对象包括不同粒径的砂和不同粗糙度的钢板，以探讨它们之间的相互作用。实验结果表明，法向应力和界面粗糙度对剪切强度有显著影响，而相对密度则在一定程度上影响了剪切过程中剪应力的峰值和残余强度。

#### 界面粗糙度对剪切行为的影响

界面粗糙度是影响剪切行为的重要因素之一。随着粗糙度的增加，砂颗粒与界面之间的相互嵌入效应增强，从而提高了剪切阻力。然而，当粗糙度达到一定阈值时，这种嵌入效应趋于饱和，进一步增加粗糙度对摩擦角的影响变得微乎其微。此时，界面摩擦角趋于稳定，并接近纯砂的摩擦角。这一现象在多种实验条件下均得到了验证，表明在极高粗糙度的情况下，界面剪切行为趋于与纯砂的特性一致。这一发现不仅验证了之前关于粗糙度效应的研究，还扩展了我们对这种机制的理解。

#### 粒径对剪切行为的影响

平均粒径对界面剪切行为也有重要影响。实验结果显示，较小的粒径在界面粗糙度达到一定水平后，其摩擦角的饱和阈值较高，而较大的粒径则表现出较低的阈值。这表明，在相同的界面粗糙度下，粒径的大小会影响摩擦角的稳定程度。粒径越小，其与界面的相互作用越分散，需要更高的粗糙度才能达到饱和状态；粒径越大，其与界面的相互作用更集中，因此达到饱和状态所需的粗糙度更低。

#### 粒径与粗糙度的耦合效应

在本研究中，研究人员还探讨了粒径与粗糙度的耦合效应。实验数据表明，粒径与粗糙度的相互作用对剪切强度具有重要影响。在不同的粒径和粗糙度条件下，剪切强度呈现出不同的变化趋势。总体而言，较高的粒径和较高的粗糙度都会对剪切强度产生积极影响，但粒径较小的砂在较高的粗糙度下仍能表现出更强的剪切强度。这表明，粒径与粗糙度的相互作用是影响界面剪切性能的重要因素。

#### 实验结果与模型预测

实验结果与模型预测的对比显示，模型能够有效地预测界面剪切行为。在不同法向应力和粗糙度条件下，模型的预测值与实验数据基本吻合，特别是在低和高法向应力条件下，模型表现出较强的泛化能力和趋势预测能力。尽管在某些剪切位移范围内，模型与实验数据存在一定偏差，但整体趋势的拟合效果良好，表明该模型可以为大多数情况提供参考预测。

#### 微机械模型的应用

本研究提出的微机械模型结合了接触力学和界面粗糙度的统计描述，能够有效地模拟砂与桩之间的接触行为。该模型通过分析界面粗糙度和接触点特性，能够准确地描述砂与桩之间的接触关系。此外，模型还考虑了砂颗粒的嵌入和摩擦行为，能够预测界面剪切强度的变化趋势。该模型在多个实验条件下均表现出良好的适用性，为界面剪切行为的研究提供了理论基础。

#### 研究的局限性

尽管本研究取得了显著成果，但其实验设计和建模方法仍存在一定的局限性。首先，实验仅采用了单调的法向载荷条件，未能考虑海洋环境中波浪和潮汐引起的动态循环应力，因此未能全面研究摩擦疲劳等机制。其次，实验中使用的界面为规则的倾斜粗糙表面，这与实际桩的随机和不规则粗糙度存在差异，可能影响颗粒与粗糙表面的相互作用。此外，模型未考虑土壤的微观结构和非线性行为，这在一定程度上限制了其对实际土壤-桩相互作用的模拟精度。因此，未来的研究需要进一步完善模型，考虑土壤的微观结构和非线性行为，以提高模型的适用性和预测能力。

#### 研究结论

本研究通过实验分析和微机械建模相结合的方法，系统地探讨了砂与桩界面剪切行为的多种影响因素。研究发现，相对密度、法向应力、界面粗糙度和平均粒径对剪切行为均有显著影响。较高的相对密度和法向应力会增强剪切强度，而较高的界面粗糙度则能提高摩擦阻力。此外，粒径较小的砂在较高粗糙度下仍能表现出较强的剪切强度。通过实验数据与模型预测的对比，研究验证了模型的适用性，并为界面剪切行为的研究提供了理论基础。尽管模型仍存在一定的局限性，但其在预测剪切强度和残余强度方面表现出良好的性能，为未来的研究提供了重要的参考。