1、第 44 卷第 3 期 岩 土 力 学 Vol.44 No.3 2023 年 3 月 Rock and Soil Mechanics Mar.2023 收稿日期：2022-04-12 录用日期：2022-05-31 基金项目：上海市科学技术委员会资助项目（No.21142200400）。This work was supported by the Science and Technology Commission of Shanghai Municipality(21142200400).第一作者简介：姜海波，男，1993 年生，博士研究生，主要从事交通岩土及土结构界面方面的研究工作。E-ma
2、il:hypo_ DOI：10.16285/j.rsm.2022.0496 高频高频振动下振动下散粒体散粒体结构界面结构界面临界状态临界状态强强 度特征度特征试验研究试验研究 姜海波1,2，付龙龙1,2，周顺华1,2，郭培军3，叶伟涛1,2（1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；2.同济大学 上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室，上海 201804；3.麦克马斯特大学 土木工程系，汉密尔顿，加拿大）摘摘 要：要：高铁桥梁、路基工程中的桩基础持续承受列车运行引发的振动荷载，当前350 km/h车速下的车致振动已高达近40 Hz。随着车速的进一步提升，可能给桩基础
3、承载性能带来不利影响。桩土界面是桩和地基土之间力和变形传递的重要媒介，很大程度上决定着桩基础的长期服役性能。但目前对于高频振动荷载下桩土界面相互作用行为的认识和研究均不足。基于自主研制的可实现土结构界面高频振动耦合静力剪切的试验装置，研究了散粒体结构界面在振动下的临界状态强度特征，探讨了振动加速度、法向应力、结构面粗糙度、颗粒形状和振动频率的影响。结果表明：振动会导致界面强度衰减，部分振动条件下的界面强度甚至低于静力条件下的 0.5 倍；振动下的界面强度随振动加速度、频率的增大而下降，随法向应力的增大而提高。最后，基于摩尔库仑强度理论，建立了振动下的散粒体结构界面强度准则。关关 键键 词：词：
4、散粒体结构界面；高频振动；剪切强度；振动弱化；振动静力耦合直剪 中图分类号：中图分类号：TU435 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10007598(2023)03081011 Experimental study on critical state strength characteristics of granular material-structure interface under high-frequency vibration JIANG Hai-bo1,2,FU Long-long1,2,ZHOU Shun-hua1,2,GUO Pei-jun3,YE Wei-
5、tao1,2(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.Shanghai Key Laboratory of Rail Infrastructure Durability and System Safety,Tongji University,Shanghai 201804,China;3.Department of Civil Engineering,McMaster University,Ham
6、ilton,Canada)Abstract:The pile foundation of bridges and subgrades in high-speed railway engineering are frequently suffered from train-induced vibration.The train-induced vibration under a speed of 350 km/h reaches approximately 40 Hz,while a higher speed may do harm to the bearing capacity of the
7、pile foundation.The soil-structure interface plays an important role in force and deformation transformation in pile-soil interaction,largely determining ultimate strength and long-term settlement.However,understanding of the behavior of soil-structure interfaces under high-frequency vibration is st
8、ill very limited.Using a self-designed interface shear apparatus,which can achieve coupled vibration and high-frequency vibration,the critical state strength of the granular material-structure interface is investigated.The influences of vibration acceleration,frequency,normal stress,particle shape a
9、nd surface roughness are studied.Test results show that vibrations lower the strength of interfaces.The shear strength under certain vibration conditions is even lower than half of that under static conditions.The weakening degree of interface strength under vibration increases with vibration accele
10、ration and frequency,while decreases with normal stress.Based on Mohr-Coulomb strength theory,the strength criterion of the granular material-structure interface under vibration is built.Keywords:granular material-structure interface;high-frequency vibration;shear strength;vibro-induced weakening;co
11、upled vibration and monotonic direct shear 1 引 言 桩基础在高速铁路桥梁、路基工程中应用广泛，其服役期间除了受到上部结构自重产生的静荷载，还受到列车运行引发的振动荷载1-2。京沪高铁沿线的测试结果表明，时速为 304410 km/h 下的列 810 岩 土 力 学 2023 年 车运行引发振动频率可高达 33.7945.78 Hz3-4。随着我国在高速铁路发展上的大力投入，规划400 km/h及以上的超高速铁路成为重大发展战略。车速的提高会导致振动频率进一步提升，可能给桩基础承载性能带来不利影响。桩土界面是桩和地基土之间力和变形传递的重要媒介，很大
12、程度上决定着桩基础的长期服役性能，如长期沉降、动力稳定性等5-9。因此，研究土结构界面在振动下的力学特性，有助于更好地预测和提升桩基础在高铁工程中的服役性能。截至目前，涉及土结构界面力学特性的研究主要关注静力和拟静力循环加载，取得了很多有意义的结论。受到了当前试验设备的功能限制，目前所采用的循环加载频率基本不超过 0.1 Hz10-12，很少涉及振动尤其是高频振动工况。然而，已有部分学者在土结构相互作用的模型试验内考虑了振动的影响。庄仲旬13、殷德顺14等采用改进后的拖球试验，研究了软黏土受局部振动影响下的流动特性，发现结构振动可提高其周边软黏土的流动性，降低拖球在土体中受到的阻力。Nicol
13、as 等15在振动的砂试样内开展了球体贯入试验，发现振动可显著提升侵入体在砂试样中的下沉速率。Baptiste 等16对玻璃珠进行了小型振动桩贯入试验，表明桩基振动引发其周边玻璃珠局部流化，将贯入阻力降低了约 10倍。Johnson 等17-18的试验结果表明，即使振动导致的局部流化仅发生在散粒体的剪切带（常出现于土结构界面）内，也足以导致显著的强度衰减并引发破坏。类似的现象被称为“摩擦弱化”，或被称为“流态化”，均反映局部振动下散粒体对结构阻力降低的现象。然而，目前的研究仍然是通过量化整体响应，反映振动下土/散粒体和结构相互作用中的阻力降低现象，还未将关注点聚焦到土结构界面上，也未系统地量化
14、各相关因素如法向应力、振动参数的影响。因此，振动下的土结构界面力学特性尚有待明确，尤其是对工程具有重要指导意义的界面强度特征。Zhou19-20、姜海波21等自主研制了一台可实现高频振动耦合静力剪切的土结构界面剪切试验装置，能够测试高频振动下的界面强度特征，具有较高的测试精度和稳定性。基于该仪器，初步揭示了砂土结构界面在振动下的强度衰减现象，然而还未系统地开展相关影响因素的探讨，如对界面强度特征有显著影响的结构表面粗糙度22、颗粒形状23和法向应力水平。本文基于该试验装置，以砂/玻璃珠钢板界面为试验对象，研究了振动下的界面临界状态强度，并探究了振动加速度、法向应力、颗粒形状、结构面粗糙度和振动
15、频率的影响。基于摩尔库仑强度理论，建立了考虑振动效应的修正界面强度准则。采用了粒径较为统一的砂和玻璃珠为试验材料，可以减小材料参数变异性对试验结果的影响，有利于从机制上探究高频振动下的界面强度特征。由此获得的结论对于砂、圆砾等地层有重要的工程应用价值。应当说明的是，土结构界面的临界状态强度通常仅在较大的剪切变形下才考虑。PHC 管桩这类预制桩的桩土界面在服役前的沉桩阶段就已经经历了较大的剪切变形。而随着这类预制桩在高铁桥梁及路基中的推广应用11，必须考虑振动下界面临界状态强度。此外，临界状态强度作为临界状态土力学的重要元素，对振动下土结构界面本构模型的发展也具有重要的理论意义。再者，临界状态下
16、的界面剪应力较为稳定，在这一阶段施加振动有利于更好地明确不同因素的影响规律。研究成果有助于高铁路基中桩基结构的设计和施工，同时对爆破、振动沉桩和地震中的土结构相互作用研究也具有参考意义24-26。2 试验装置、方法和材料 2.1 试验试验装置装置 采用的试验仪器是针对振动下土结构界面剪切强度测试而自主研制的19-21，如图 1 所示，其功能模块主要包含剪切部件、加载、测量采集 3 部分。(a)示意图 (b)实物图 图图 1 高频振动土高频振动土结构界面结构界面剪切试验剪切试验装置装置 Fig.1 Modified shear apparatus for soil-structure interfaces under high-frequency vibration 剪切部件包含：通过立柱、横梁与试验台完结构容器 荷载传感器(C2)激光位移 传感器 土 结构 加速度计 荷载传感器(C1)上剪切盒（空 间位置固定）高精度线性导轨 步进电机 高精度线性导轨 音圈电机 第 3 期 姜海波等：高频振动下散粒体结构界面临界状态强度特征试验研究 811 全固定的上剪切盒，剪切盒内部尺寸为 61.8
