《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Soil-structure interaction and uplift bearing capacity: A study on low-header CEP single pile foundations
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本文系统评述了低承台混凝土扩底（CEP）单桩基础在抗拔荷载下的土-结构相互作用（SSI）机理与承载性能。文章整合了试验、数值模拟与解析模型，揭示了板-土互锁、桩身剪切传递及非线性土体行为等关键机制，指出了现有研究的局限性与知识缺口，并为基于可靠性的设计、机器学习辅助预测及桩基性能自适应监测等未来研究方向提供了重要指引。
土-结构相互作用与抗拔承载能力：低承台CEP单桩基础研究综述
框架与数值模拟技术
土-结构相互作用（SSI）是理解低承台混凝土扩底（CEP）单桩基础抗拔行为的核心。它涉及土壤、结构及二者接触界面在荷载下的复杂动力 interplay。数值模拟是研究SSI不可或缺的工具，其中有限差分法（FDM）和有限元法（FEM）是两种主流技术。FDM基于规则的网格，计算效率高，尤其适用于时域动力分析，但其在处理复杂几何形状时存在局限。FEM则凭借其处理复杂几何和材料非线性的灵活性，在模拟局部应力和非线性行为方面更具优势，常通过结合无限元或边界元（BEM）来精确模拟波在无限域中的传播。耦合的FEM-BEM方法能有效整合近场复杂性和远场波传播特性，为动态SSI分析提供了高精度的解决方案。先进的网格生成技术和边界条件（如卷积完全匹配层或粘性边界）的运用，进一步确保了计算的稳定性和准确性。
动态SSI效应与土体液化
在动态荷载，尤其是地震作用下，SSI效应会显著改变结构的动力特性。土壤液化是地震中饱水无粘性土因孔隙水压力急剧升高而暂时失去强度的现象，对桩基稳定性构成严重威胁。液化会导致地面变形，如侧向扩展和沉降，并可能伴随喷水冒砂现象。研究表明，采用有效应力分析和耦合的水力-力学模型可以更准确地预测液化对基础抗拔能力的影响。因此，在抗震设计中充分考虑SSI和液化风险，对于保障结构安全至关重要。
影响抗拔承载力的关键因素
CEP单桩的抗拔承载力受多重因素影响。土壤性质是根本，包括粘聚力、内摩擦角、密度和分层情况。粘性土主要依靠粘聚力提供抗拔阻力，而粒状土则依赖摩擦力。桩体特性同样关键，例如桩身表面粗糙度可增强桩土摩擦，桩的直径-长度比影响荷载传递机制，而安装方式（如打入桩与钻孔桩）会改变桩周土的初始应力状态。环境条件，如地下水位波动和动态荷载（地震、风载），也会通过改变有效应力和引起土体刚度退化来影响抗拔性能。参数研究表明，在CEP桩中，承载板的几何形状（如板径与桩径之比）和埋深是控制抗拔能力的最敏感参数。
CEP桩的设计原理与优势
低承台CEP桩是一种通过在现场钻孔后底部扩孔形成扩大头的新型深基础。其独特的扩大头设计显著增加了端承面积，并通过板-土互锁效应极大地增强了抗拔承载力。与传统的直杆桩相比，CEP桩在相同嵌入深度下能提供高出约20-50%的极限抗拔能力，且荷载-沉降曲线表现出非线性硬化行为，意味着更好的变形控制能力。此外，现场浇筑的施工方式减少了对周边土体的扰动，且通常可比传统桩基节省15-20%的混凝土用量，更具经济性和环境友好性。荷载传递机制上，抗拔阻力主要由桩侧摩擦力和扩大头提供的端部阻力共同承担，其中土拱效应在荷载传递中扮演重要角色。
实验研究与性能评估
实验研究，包括离心机模型试验和现场载荷测试，是验证数值模拟和理论模型的重要手段。针对CEP桩的抗拔试验表明，承载板在桩身上的位置对抗拔能力有显著影响，存在一个最优埋置深度（例如，距承台底部4-5倍板悬臂半径时抗拔能力最大）。循环荷载作用下的测试则揭示了桩基可能出现的累积塑性变形和界面强度退化问题，这在设计承受风或波浪等重复荷载的结构时需要特别考虑。对于群桩，桩间距是关键因素，过小的间距会导致应力重叠，降低群桩效率。
设计指南与未来展望
CEP桩的设计需结合解析方法、数值模拟和经验指南。现行规范（如欧洲规范Eurocode 7）建议对极限状态采用2.0至3.0的安全系数。未来的研究将更加侧重于先进计算技术的应用（如人工智能和机器学习辅助的预测模型）、智能传感技术用于桩基性能的实时监测，以及考虑气候变化（如冻融循环、地下水位变化）对桩基长期性能影响的韧性设计。通过整合多学科知识，有望发展出更精确、可靠的CEP桩设计方法，以支持可再生能源基础设施、输电线路和抗震系统等关键领域的发展。
综上所述，对低承台CEP单桩基础抗拔行为的深入理解与精准设计，高度依赖于对SSI效应、土体本构关系、桩基几何参数及环境荷载的综合考量。持续的研究与技术革新将不断提升这类基础在复杂地质与荷载条件下的安全性与经济性。
