环剪,粉质砂-钢界面,浙大海南钻研院,GDS论文
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在深海风机与油气平台服役期间，粉质砂海床与钢管桩之间的界面在循环荷载作用下产生毫秒级剪切响应 。浙江大学海南钻研院科研团队利用GDS环剪/界面剪切仪，系统发展50次等幅循环剪切试验，系吐淇化该界面的强杜纂变形演化法规 。2025年7月7日，团队在《Acta Geotechnica》期刊颁发了题为《Mechanical behavior at silty sand-steel interface undergoing cyclic shearing》（粉砂–钢界面在循环剪切作用下的力学行为）的学术论文，总结了该科研项主张进展 。
https://doi.org/10.1007/s11440-025-02694-9
*论文版权归原作者和出版方所有，本文仅为进建互换 。
以下是对这项成就的简要介绍：
思考到海床土与结构地基在资料个性上的显著差距,正确描述土-结构接触面的力学行为至关沉要 。本钻研进行了屡次循环界面剪切试验,以钻研多天堑前提下粉砂-钢界面的强度和变形个性 。对界面的抗剪强度、体积变形、动摩擦角和液化趋向进行了量化 。细粒含量的增
加使土骨架由砂-砂接触过渡到细-砂、细-细接触,剪切行为由剪胀剪缩交替转变为以剪缩为主 。随着循环次数的增长,由于界面复原能力的退化,陆续循环中累积位移和循环位移分量的差距减幼,同时陪伴着相变应力的降低 。在高应力前提下,土颗粒间更缜密的相互作用加强了抗液化能力,而循环幅值的增长使界面剪胀得到更充分的表白,这都有助于延长液化的产生 。通过引入蕴含细粒含量、初始法向应力和循环幅值影响的特点循环,成立了表征界面急剧液化粉碎的界面液化公式 。
团队以南海某风电场原状粉质砂为对象，在三种天堑前提（CNL常法向力、CNS常法向刚度、CV常体积）下，用GDS环剪/界面剪切仪实现了近百组循环剪切试验 。变量覆盖细颗粒含量FC=0–100%、初始法向应力σn0=50–400 kPa、循环幅值δ=0.5–4 mm，最高陆续50个循环 。
GDS环剪仪
基于循环界面剪切试验，钻研揭示了粉质砂-钢界面的力学行为法规：
1
细颗粒含量的主题作用
随细颗粒含量增长，土体骨架从砂-砂接触转向细颗粒主导接触，剪切行为由交替剪胀-剪缩转变为持续剪缩主导 。在CNL前提下，高细颗粒含量需更大剪切位移达到峰值强度，刚度降低；CNS前提下，细颗粒加快剪切强度退化（50次循环后，FC=100%时退化达99.5%）；CV前提下则触发法向应力骤降与孔压积累 。
2
天堑前提与应力影响
（1）法向应力增大强化颗粒破碎与剪缩，但加强抗液化能力；
（2）大循环幅值促使剪切初期剪缩、后期剪胀（颗粒破碎导致剪缩复现），同时充分引发剪胀个性以延缓液化；
（3）液化临界点：细颗粒含量≥30%时，首循环即产生液化，法向应力与幅值影响失效 。
3
法向位移演化特点
位移分为累计分量（CUV）与循环分量（CCV） 。循环次数增长导致二者差距减幼，批注界面复原能力衰退及相变应力降低 。CCV天生慢于回复（达峰值位移＞回复位移），且受细颗粒含量增高、法向应力增大抑造而减弱 。CCV鼓和后增速急剧降落 。
4
液化判断步骤
针对界面液化速度快于土体的个性，提出基于特点循环数的判断公式，关键参数蕴含细颗粒含量、初始法向应力及循环幅值 。
*图表为论文截图，版权归论文原作者和出版方所有，本文仅为学术互换 。
Fig. 1 a Sand sample and schematic diagram of force chain; b Particle size distribution
Fig. 2 Configuration of GDS ring shear apparatus
Fig. 3 a, b Monotonic interface shear results under CNL: Evolution of a shear stress, and b normal displacement versus shear displacement; c, d Cyclic interface shear results of Test C1 under CNL: Evolution of c shear stress, and d normal displacement versus shear displacement
Fig. 4 Interface friction angle for soil samples with different fines content after N cycles
Fig. 5 Cyclic interface shear results of Test C2 under CNS: Evolution of a shear stress, and b normal displacement versus shear displacement
Fig. 6 Cyclic interface shear results of Test C3 under CV: Evolution of a shear stress, and b normal stress versus shear displacement
Fig. 7 Liquefaction trend at the interface in Test C3 under CV
Fig. 8 Relationship between shear stress and normal stress under different normal boundaries: a FC = 10%; b FC = 50%
Fig. 9 Change in normal displacement under CNL and CNS boundary conditions
Fig. 10 Cyclic interface shear results of Test C6 under CNL with varying initial normal stress: Evolution of a shear stress, and b normal displacement versus shear displacement
Fig. 11 Mobilized interface friction angle after N cycles under varying initial normal stress: a FC = 0%; b FC = 10%; c FC = 30%
Fig. 12 Cyclic interface shear results of Test C7 under CV with varying initial normal stress: a Evolution of shear stress versus shear displacement; b The initial cycle in Fig. 12a
Fig. 13 Liquefaction trend at the interface under varying initial normal stress: a FC = 0%; b FC = 10%; c FC = 30%
Fig. 14 Cyclic interface shear results of Test C12 under CNL with different cyclic amplitude: Evolution of a shear stress, and b normal displacement versus shear displacement
Fig. 15 Mobilized interface friction angle after N cycles with different cyclic amplitude: a FC = 0%; b FC = 10%; c FC = 30%
Fig. 16 Cyclic interface shear results of Test C13 under CV with different cyclic amplitude: a Evolution of shear stress versus shear displacement; b The initial cycle in Fig. 16a
Fig. 17 Liquefaction trend at the interface with different cyclic amplitude: a FC = 0%; b FC = 10%; c FC = 30%
Fig. 18 Evolution of normal displacement versus number of cycles: a Total normal displacement; b Cumulative and cyclic normal displacement
Fig. 19 Cyclic normal displacement relative to a Shear displacement; b Shear stress
Fig. 20 Evolution of cyclic normal displacement with different number of cycles, relative to a Shear displacement; b Shear stress
Fig. 21 Change in phase transformation stress under different initial normal stresses
Fig. 22 Evolution of cyclic normal displacement with different fines contents, relative to a Shear displacement; b Shear stress
Fig. 23 Evolution of cyclic normal displacement with different cyclic amplitude, relative to a Shear displacement; b Shear stress
Fig. 24 Degradation of interface normal stress under CNS condition
Fig. 25 Evolution of residual pore water pressure at the interface
Fig. 26 Prediction of residual pore water pressure ratio utilizing the interface liquefaction formula
GDS环剪/界面剪切仪GDSRSA
GDSRSA是一个现代化的、紧凑的、桌面化的环剪系统，允许齐全自动化的试验 。该GDSRSA允许进行旋转环剪试验 。在排水前提下，通过步进电机陆续施加旋转剪切作使劲直到获得恒定的残存剪切应力 。在试验过程中，试样的横截面区域的剪切面不变 。GDS的环状剪切仪通过GDS力作动器施加固结应力，通过推算机（用USB衔接）来进行节造和数据采集，表置的荷载传感器直接丈量施加到样品上的轴向和剪切应力 。
通过增长选配件可实现界面剪试验 。
系统特点及优势：
重要特点 | 利益 |
尺寸幼、沉量轻 | 该台式系统占地面积 。ㄎ51 x32cm）、沉量轻（30kg），很容易转移 。 |
齐全内置的系统 | GDS环剪仪不必要额表的数据采集仪、额表笨沉的表置压力表和荷沉环，所有要求的衔接件和设备都全数直接装置于设备中 |
表置部门LVDT传感器 | 有关环的表置LVDT纪录轴向位移，不蕴含于系统中，这样就能允许更正确的测试 |
自动高度节造允许进行恒定体积环剪试验 | 液化抗剪强度的测定，该试验要求显著的剪切应变和高度节造(恒定体积)，因而在GDSRSA中是梦想的 |
可互换的底座和顶帽 | 允许一台机械来测试各类样品尺寸（若是必要的话） 。底座和顶帽使用锁定夹在框架内固定 |
轴向位移通过DIGIRFM衔接 | 使用位移或应变指标节造时有关环位移增减反馈 |
试样下部引流 | 允许试验过程中试样排水 |
随机透水板类型 | 削减试样皱裂 |
2根USB电缆用于推算机节造 | 允许用户敦睦方式衔接到任一台现代的推算机 |
技术参数：
试样尺寸 | 100mm表径×70mm内径（其他尺寸可凭据要求提供） |
分辨率 | 荷载1N，位移1微米，角位移：0.01度，扭距0.01Nm |
最大速度 | (旋转）2.25°/ S （135°/分钟） |
最大扭矩 | 200Nm |
最大轴向荷载 | 5kN |
最大应力 | 轴向：1200kPa；剪切：1100kPa |
表置LVDT量程 | +/-5mm |
表形尺寸（WxDxH）＆沉量 | 51×32×116cm- 30kg |
尺度 | ASTM-D7608-10， ASTM-D6467-13，BS1377，1990年第7部门 |
供电要求 | 100-240V 50/60Hz 1.5A 单相电 |
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