模拟砂桩施工应力历史的空心圆柱扭剪试验及其对液化抗性的增强机制研究

本研究通过空心圆柱扭剪试验模拟砂桩(SCP)施工过程中的应力历史(包括侧向应力增加K0、剪切历史和超固结OCR)，发现应力历史可显著提升砂土液化抗性，最大增幅达2.7倍。该成果为优化地基处理设计提供了重要理论依据，论文发表于《Soils and Foundations》。

　　

砂土液化是地震工程领域的重大挑战，而砂桩(SCP)作为日本最常用的抗液化措施，传统认为其效果主要源于密度提升。然而近年研究发现，SCP施工过程中产生的应力历史（包括侧向应力增加、剪切变形和超固结）可能对液化抗性有重要影响。这一发现对完善地基处理理论具有重要意义，但此前缺乏系统实验验证。

东京大学的研究团队在《Soils and Foundations》发表论文，通过创新的空心圆柱扭剪试验装置，首次完整模拟了SCP施工全过程应力路径。研究采用Gifu silica sand #7（D₅₀=0.21mm）制备Dr≈60%的试样，通过精密控制σ_z'、σ_r'和τ_zr，成功复现了"SCP-Load"（K₀从0.5增至1.5伴随循环剪切）和"Un-Load"（K₀回降至0.5形成OCR=1.96）两种工况，随后进行不排水循环加载直至γ_DA=7.5%。

研究结果部分：

1. 行为特征分析：SCP-Load阶段最大剪切应变γ_max达0.2%时，试样体积应变ε_v呈现明显排水压缩特征，而循环加载阶段孔隙水压力发展显著延缓。

2. 液化抗性提升：当τ_max=36kPa时，液化抗性(τ_zr/σ_mc' at N_c=20)较无历史试样提升1.5倍；即使τ_max>36kPa导致抗性下降，仍高于基准值。

3. 超固结效应：Un-Load后OCR=1.96使抗性达0.28-0.38，符合m=0.4的OCR指数增长规律，但实际增幅超出单纯超固结理论预测。

4. 密度等效性：应力历史使Dr=61-68%试样的抗性等效于Dr=80-90%的未处理砂土，验证了"应力历史可替代密度提升"的创新观点。

研究结论表明，SCP施工产生的复合应力历史（K₀+OCR+剪切历史）可使液化抗性最高提升2.7倍，远超现行规范1.2倍的考虑。该成果不仅揭示了SCP工法的隐藏机制，更为抗震设计提供了考虑应力历史的优化路径。值得注意的是，剪切历史通过改变土体结构各向异性（α角变化达45°）增强抗性，这一发现为发展新一代地基处理技术奠定了理论基础。