基于锥形约束容器的桩基循环荷载-位移行为研究：几何形态与安装方法的影响及工程应用验证

本文通过锥形约束容器（FCV）系统研究了不同几何形态（包括窄圆柱、宽圆柱、H型、箱型、翼板及螺旋桩）和安装方式的桩基在静力与循环荷载下的响应机制。研究发现螺旋桩在高幅循环荷载下表现出优于传统桩的稳定性（刚度比达2.8）和沉降控制能力，并通过相似理论（Buckingham's π定理）实现了实验室结果与现场工况的等效性验证，为海洋工程桩基设计提供了重要实验依据。

　　

Highlight

• 通过FCV研究多种桩型几何形态的循环性能

• 对比螺旋桩与传统桩在循环荷载下的表现

• 评估荷载幅值对桩体刚度与沉降的影响

• 分析循环荷载对不同模型桩后效行为的作用

• 通过尺度理论将实验室结果推广至现场条件

• 综合评估工程适用性与岩土性能表现

Background on piles behavior under cyclic loading

海洋环境中桩基通常承受静载与循环荷载的共同作用。虽然循环荷载具有变异性，但其单次循环持续时间（5-10秒）常被视作准静态过程。现有研究通过解析法、数值模拟、物理建模（如FCV装置）及现场试验等手段，揭示了桩体在循环荷载下受多重因素影响的复杂机理。

Frustum Confining Vessel (FCV)

FCV-AUT装置由Amirkabir大学于2014年研发，其锥形结构（底部直径1300毫米，顶部直径300毫米，高度1000毫米）可生成线性应力分布场，有效模拟现场应力条件。该设备配备气动加载系统（最大荷载50千牛）与激光位移传感器（精度0.01毫米），支持静力/循环加载模式（频率0.1-2赫兹）。

Repeatability

为验证实验可靠性，对H型桩进行重复静载试验。如图9(a)所示，两次试验的荷载-位移曲线高度吻合，证明FCV系统具有优异的实验复现性，确保了后续循环荷载数据的可信度。

Comparison and discussion

从工程实践角度对比传统桩与螺旋桩的性能表现：螺旋桩（间距比1.5和3）在循环荷载后刚度比分别达到2.7和2.8，显著高于窄圆柱桩的2.0。虽然螺旋桩在低幅荷载初期因土体扰动产生较大沉降，但其随荷载循环逐渐稳定的特性与高幅荷载下的优异表现，结合制造成本与安装便利性等工程因素，显示出综合优势。

Comparison and discussion

通过无量纲参数（基于Buckingham π定理的相似性分析）建立实验室模型与现场桩基的关联机制。该理论通过捕捉关键物理属性的尺度关系，实现了FCV实验结果向真实工程场景的有效外推。

Conclusions

本研究通过FCV装置对七类桩型进行21组静力/循环加载试验，证明螺旋桩在高幅循环荷载（30%极限承载力）下具有卓越的稳定性。10%直径法对传统桩评估效果良好，而Brinch Hansen 80%与Chin-Kondner法则呈现高估倾向。研究结果通过尺度理论与现场数据验证，为桩基工程设计提供了可靠实验依据。