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本研究实验分析干燥无粘性砂土中土壤-桩系统在不同加载速率下的非线性响应，发现惯性效应提升峰值前侧向承载力，复压效应使后峰值承载力增加，但多次循环导致承载力下降。
Zain Bin Mazhar | Koji Ishi | Masato Saitoh
埼玉大学理工学研究科，日本埼玉县樱区下大久保255
摘要
本研究探讨了在干燥、无粘性的岐阜沙土中，土箱系统在缓慢至快速单调和循环侧向荷载作用下的速率依赖性非线性响应。通过缩比模型实验研究了土-结构相互作用（SSI）效应。在单调荷载作用下，利用粒子图像测速（PIV）技术评估了近场压力和加速度响应。结果表明，在峰值力之前，惯性力是侧向承载能力提升的主要驱动力。然而，在峰值力之后，所有承载能力都趋于一致，与荷载速率无关。对于循环荷载，分别考察了在缓慢、中等和快速速率下的非线性响应，目标位移达到屈服点、峰值和峰值后。通过分析滞回阻尼比和近场压力响应来评估整体循环承载能力的变化。在循环荷载作用下也观察到了承载能力的提升，这受到荷载速率和位移的影响。研究发现，在峰值后位移时，由于反复压实作用，循环承载能力超过了峰值承载能力。但是，连续的循环会导致承载能力下降，反映出局部非线性的存在，例如土体与土箱分离或邻近沙土的松散。这些非线性的程度受到荷载速率和位移的显著影响。这些发现为设计动态荷载下的土箱基础提供了有用的见解。
引言
大型土箱基础是许多结构系统的重要组成部分[1]。它们较短的安装和施工时间可以降低总体运营成本[2]。土箱基础的响应会受到单调和循环侧向荷载的显著影响。这些荷载具有不同的频率、幅度和循环模式[3]，在所有情况下，土-结构相互作用（SSI）在控制土箱系统行为中起着关键作用[4]。由于土箱基础体积较大，其与周围土壤的相互作用强烈影响整个结构的性能[5]。因此，了解其在不同荷载条件下的行为至关重要，特别是考虑到非线性土壤响应与土-结构相互作用（SSI）效应之间的密切联系。
土箱基础的静态响应已被广泛研究，以研究在单调和循环荷载作用下的土箱非线性[6]。然而，仅使用静态荷载无法完全反映实际情况。由于它无法捕捉土-结构相互作用的复杂性，因此需要考虑不同的荷载速率来全面描述实际情况。在这方面，监测参数如土壤表面位移、基础附近的压力分布和土壤加速度可以提供关于速率依赖性SSI行为的宝贵见解。这些测量结果使研究人员能够理解在速率依赖性侧向单调和循环荷载作用下的土-结构系统的非线性响应。
近年来，土箱基础引起了大量研究兴趣，其单调和循环响应主要通过小规模实验研究[7]、[8]、[9]、[10]、[11]进行探讨。然而，大多数研究主要关注荷载类型，而忽略了荷载速率对缩比土箱基础的影响。例如，参考文献[12]研究了大直径基础在单调和循环荷载作用下的极限侧向承载能力和循环刚度，但没有考虑荷载速率的影响。相比之下，参考文献[13]强调了荷载类型和速率的重要性；然而，这项研究仅限于单个桩，他们报告了承载能力随荷载速率的增加。
与此同时，参考文献[14]研究了荷载速率对桶形基础的影响，并提出了估算其承载能力的公式。参考文献[15]最近研究了垂直单调荷载下混合吸力土箱基础的行为，并探讨了荷载与承载能力比对该基础极限承载能力的影响。在另一项参考文献[16]的研究中，使用应变累积方法研究了浅基础在循环荷载作用下的行为，但没有考虑荷载速率。同样，参考文献[17]研究了不同幅度和频率下循环荷载对吸力土箱的循环响应，发现低频时刚度会下降，但速率依赖性行为尚未得到充分探索。尽管这些研究关注了不同的荷载类型和基础系统，但对土箱基础的速率依赖性单调和循环荷载的关注仍然有限。
一些研究人员还采用了先进的研究技术，如粒子图像测速（PIV），该技术最初由参考文献[18]用于土壤力学研究，以增强对各种荷载类型下土壤变形模式的理解。例如，参考文献[19]使用PIV研究了循环荷载作用下不同土壤密度下摇摆基础的变形机制。类似地，参考文献[20]使用PIV观察了基础边缘的大剪切应变，涉及挖掘和楔形机制。参考文献[21]进一步改进了PIV在各种岩土工程应用中的使用。除了这些变形机制外，还使用压力测量来捕捉基础周围的土壤-基础相互作用，以微观层面进行分析。例如，参考文献[22]使用压力计研究了基础摇摆运动相关的压力分布。结合基于PIV的位移测量与压力和加速度数据，可以全面了解土箱系统的整体响应。
尽管对土-基础系统进行了大量研究，但在小规模土箱模型上，特别是在非线性范围内，随着荷载速率的增加对其影响的研究还不够充分。现有的实验研究主要限于现场的大规模土箱基础，或者集中在其他类型的地基上。使用粒子图像测速（PIV）研究土-结构系统的力学仍处于早期阶段。
本研究旨在通过实验研究土箱基础在缓慢至快速侧向单调和循环荷载作用下的响应，以填补这些空白。测试了一个嵌入干燥岐阜沙土中的空心圆柱形土箱模型，并评估了表面变形、压力和加速度响应，以捕捉土箱-土壤相互作用。
这项实验有两个主要目的：(a) 研究荷载速率对单调荷载下峰值力和极限破坏点处侧向承载能力的影响；(b) 评估峰值前、峰值和峰值后位移时的速率依赖性循环响应。为了实现这些目标，分析了单调荷载下的近场压力和加速度响应，以及使用PIV观察的表面破坏模式；而对于循环荷载，则研究了滞回阻尼比和近场压力响应。
实验配置考虑了外部荷载应用引起的非线性效应。研究结果详细监测了土箱系统的响应，考虑了荷载速率、荷载类型和屈服位移。
节选内容
缩比模型测试
进行各种学科的测试，以说明原型的复杂性。物理模型因其成本效益高且能提供有关所需实验场景的有意义见解而受到重视。它们还通过保持与全尺寸模型接近的特性提供了更大的灵活性。本研究的实验设置使用了参考文献[23]在桩基础研究中使用的缩比模型。
屈服点计算
为了继续研究，首先需要调查土箱系统的屈服行为。在这项研究中，使用了加载速率为0.1 mm/s时的骨架曲线（力-位移曲线）来确定屈服点。屈服点是材料从弹性状态转变为塑性状态的点，超过该点后会发生永久塑性变形。采用了参考文献[40]提出的方法来确定屈服点，该方法也经过了验证。
结论
本研究实验研究了在缓慢至快速单调和循环侧向荷载作用下的非线性响应。主要研究结果总结如下：
1.在单调荷载作用下，观察到侧向承载能力随荷载速率的增加而提高，直到峰值力。近场压力和加速度响应证实，这种增加是由周围土壤质量的惯性效应引起的。在峰值力之后，荷载速率的影响
CRediT作者贡献声明
Zain Bin Mazhar：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。Koji Ishi：方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。Masato Saitoh：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析，
利益冲突声明
作者声明没有可能影响本文工作的个人关系冲突。本工作得到了日本学术振兴会（JSPS）的科学研究资助（B类）[Grant No. 21H01414]的支持。
致谢
本工作得到了日本学术振兴会（JSPS）的科学研究资助（B类）21H01414的支持。
在准备本工作时，作者使用了GPT-5工具来改进语言和可读性。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。
