竖向循环荷载作用下珊瑚砂中群桩的荷载传递机制

《Ocean Engineering》：Load-transfer mechanism of pile group in coral sand under vertical cyclic loading

　　

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  循环荷载在嵌入珊瑚砂中的3×3桩群中引发了显著的荷载重新分配。
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  桩端阻力逐步增强，而桩侧阻力在循环荷载作用下退化并趋于稳定。
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  荷载幅值和基载水平控制端阻力的演化过程；频率主要影响稳定化速率。
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  在3×3桩群中，端阻力遵循一致的大小排序：角桩＞边桩＞中心桩。
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  角桩表现出最显著的阻力演化特征，反映出强烈的群桩位置效应。

引言

珊瑚砂主要由海洋生物的遗骸组成，是通过漫长的地质过程形成的。由于其较高的碳酸钙含量、颗粒内孔隙率、棱角分明的颗粒形态以及固有的低颗粒强度，珊瑚砂具有较高的压缩性，并且在相对适中的应力水平下也表现出显著的颗粒破碎敏感性（Wang等，2011、2020、2021e；Wu等，2025）。这些独特的物理性质使其力学行为与传统陆源（石英）砂存在显著差异，特别是在刚度演化、强度发挥和荷载传递机制方面（Ding等，2021；Wang等，2021b）。大面积的珊瑚砂广泛分布于南海地区，是海上平台、人工岛、港口及重要海洋基础设施的主要地基材料（Wang等，2021c；Ding等，2023a）。因此，为石英砂地基开发的传统桩基设计方法可能无法直接适用于珊瑚砂环境，这凸显了有针对性开展实验和理论研究的重要性。

桩基工程因其承载力大、变形控制能力优越而被广泛应用于海洋和岛屿工程（Wang等，2018、2021d、2022；Guan等，2024）。在实际应用中，这些基础——尤其是群桩基础——不可避免地会承受由波浪、地震、风荷载、交通和运行振动引起的竖向循环荷载（Al-Douri和Poulos，1994；Liu等，2024）。在这种循环荷载条件下，桩土系统可能发生渐进性沉降累积、刚度退化和荷载重新分配，这些现象都可能损害结构的长期服役性能和结构完整性（Poulos，1981；Li等，2012）。在珊瑚砂地基中，这些挑战尤为突出，因为颗粒破碎可能从根本上改变桩侧阻力和桩端阻力的发挥与分担方式。

研究表明，珊瑚砂中桩的承载行为与传统石英砂中存在根本性差异（Lee和Poulos，1988；Lee和Poulos，1991；Liu等，2023）。先前的单桩研究表明，在珊瑚砂中，桩的极限承载力通常较低，桩侧阻力也显著减小，相比石英砂更为明显。这一现象主要归因于颗粒破碎引起的桩身周围水平有效应力的降低（Kuwajima等，2009；Peng等，2020）。此外，循环荷载下的实验研究发现，循环剪切加速了桩侧阻力的退化，同时促进了桩端下方颗粒破碎和密实化，从而影响桩端阻力的演化（Mao等，2018；Rui等，2020；Ding等，2023b）。利用颗粒染色和图像分析等先进技术，已证实颗粒破碎在竖向荷载作用下主要集中在桩土界面附近和桩端下方（Peng等，2021）。尽管取得了这些进展，现有研究主要集中于单桩；然而，在单桩尺度上识别出的承载和变形机制无法直接外推至群桩基础（Radhima等，2022；Wang等，2025a）。

在工程实践中，桩通常以群桩形式安装以支撑大型结构。群桩的行为不仅取决于土体的固有性质，还受复杂的桩间相互作用、应力叠加以及各桩之间非均匀荷载分担的影响（Sales等，2017；Mahmood和Abbas，2019；Wang等，2023；Liu等，2024）。尽管对常规砂中群桩的研究表明循环荷载可以显著降低桩侧阻力并改变沉降模式（Al-Douri和Poulos，1994；Li等，2012），但这些结论主要基于石英砂。群桩嵌入高破碎性珊瑚砂中的响应特性尚未得到充分理解。特别是桩端阻力增强和桩侧阻力减弱之间的耦合演化——这一现象在可破碎砂中的单桩研究中日益被报道（Ding等，2023b）——在珊瑚砂环境中的群桩上鲜有系统研究。

为了解决珊瑚砂中群桩竖向循环行为理解不足的问题，本研究对嵌入珊瑚砂并承受竖向循环荷载的3×3桩群进行了一系列室内模型试验。系统研究了循环荷载幅值、加载频率和基载水平对桩顶沉降、轴向力分布以及桩端阻力和桩侧阻力演化的影响。特别是，本研究聚焦于循环荷载下端阻力增强与侧阻力减弱之间的耦合演化，以及群桩中角桩、边桩和中心桩的位置相关响应。与大多数主要研究单桩或传统石英砂地基的先期研究不同，本工作旨在阐明高破碎性珊瑚砂中群桩的荷载传递机制和桩土相互作用特性。本研究的创新性在于：（1）通过实验揭示了珊瑚砂群桩在竖向循环荷载作用下桩端阻力增强与桩侧阻力减弱的耦合现象；（2）量化了桩位置、循环荷载幅值、加载频率和基载水平对群桩内荷载传递演化的影响；（3）阐明了颗粒破碎和应力重新分配在从桩侧阻力主导到桩端阻力主导的荷载分担转变中所起的作用。研究结果为可破碎颗粒地基中群桩的循环响应提供了新的认识，并为珊瑚砂环境中海上桩基的设计和长期性能评估提供了有益参考。

章节摘要

珊瑚砂与模型桩

本模型试验所用的珊瑚砂采集自南海，采样方法详见Wang等（2025b）的研究。为减轻小规模试验中可能出现的颗粒尺寸效应，在试件制备前对砂进行了筛分，去除大于2.5 mm的颗粒。处理后的珊瑚砂特征为平均粒径d₅₀ = 0.6 mm，不均匀系数C_u = 5.0，曲率系数C_c = 1.09。颗粒级配

荷载-沉降滞回特性

在桩顶观测到的荷载-沉降滞回响应可以直接反映循环激励下桩土系统的刚度退化、变形累积和能量耗散特性。图4展示了从特定加载区间（第100–120次循环、500–520次循环、1100–1120次循环和1700–1720次循环）中提取的典型荷载-沉降滞回环，记录了随着循环次数增加桩群力学行为的演化过程。总体而言，

增强比与退化比的定义及物理意义

在竖向循环荷载作用下，桩-珊瑚砂系统表现出两种本质耦合但对立的响应：一是桩侧阻力的渐进退化，由沿桩身的剪切诱导颗粒破碎驱动；二是桩端阻力的持续增强，由桩端下方珊瑚砂的压实、破碎和重新组织所致。如第3.4节循环荷载下桩端阻力的演化、第3.5节所演示的，

珊瑚砂中荷载传递机制与端侧阻力耦合演化

珊瑚砂中群桩的循环荷载传递行为主要取决于土体的固有材料特性，包括其高破碎性、棱角分明的颗粒形态和颗粒内孔隙率，这些特性使其从根本上区别于传统石英砂（Wang等，2021a、2021f；Li等，2026）。在竖向循环荷载作用下，桩土界面的剪切变形在相对较低的应力水平下就诱发颗粒破碎，导致

结论

本研究对嵌入珊瑚砂并承受竖向循环荷载的3×3桩群进行了一系列室内模型试验，以全面探讨其动力荷载传递机制和阻力演化规律。主要研究结论总结如下。

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  珊瑚砂中的群桩在竖向循环荷载下表现出显著的荷载重新分配现象。竖向沉降随加载循环次数的增加而逐步累积，同时速率

作者贡献声明（CRediT）

王春艳：论文撰写—审阅与编辑，论文撰写—初稿，验证，方法论。曹琴：论文撰写—初稿，调查研究，形式分析，数据管理。丁宣明：验证，指导监督，资源提供，经费获取。陈志雄：指导监督，经费获取，验证。

数据可用性声明

本研究中生成和分析的数据集可通过合理请求向通讯作者获取。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的财务利益冲突或可能影响本文所述研究工作的个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（批准号：52408355、52278331）、重庆市科技创新重点研发计划（编号：CSTB2023TIAD-STX0042）以及博士后面上资助和中国博士后科学基金（编号：BX20240450）的资助。

王春艳|曹琴|丁宣明|陈志雄