本文由浙江大学超重力研究中心及软弱土与环境土工教育部重点实验室的研究团队合作完成，第一作者为赵闯，通讯作者为卞雪丞教授。研究论文《Dynamic analysis of pile-soil interaction to vertical cyclic loading by comparative centrifuge tests》于2025年3月在线发表于土工领域知名期刊《Acta Geotechnica》（卷20期，页码2695-2720）。
桩基础作为高速公路、高铁、桥梁、海上石油平台和风力发电机等基础设施工程的关键承载结构，在其服役期间往往承受交通荷载、机械振动、海浪和风荷载等循环动荷载作用。尽管静力荷载下的桩基研究已较为成熟，但其在循环动荷载下的动力响应机制仍存在诸多未解之谜。传统现场试验存在边界条件不可控、试验成本高昂等问题，而常规缩尺模型试验又无法复现真实应力梯度。离心模型试验虽能产生超重力场并再现原型应力状态，但当前试验技术难以满足高频动力荷载（如时速350公里高铁导致的12Hz桩头荷载）的研究需求。
研究团队提出了兼顾桩身应力波传播和桩-土动力相互作用的模型桩设计方法。传统设计仅考虑压缩刚度（EA）和弯曲刚度（EI）相似性，而本研究确立了动态相似的两个必要条件：①压缩刚度相似（EpAp = n²EpmApm）；②纵波速度相似（cpm = cp）。基于此，选用纵波速度（3520 m/s）与原型混凝土桩（3464 m/s）相近的H65黄铜制备模型桩，通过精确控制外径（20/30mm）和壁厚（1.75⁄2.5mm），实现了20g和30g两种离心加速度下同一原型桩的模型对应。
研究突破性地开发了适用于离心机试验的液压动力加载装置，该系统由加载系统和控制系统构成： - 核心部件：采用微型高频伺服阀与微型作动筒协同控制 - 性能参数：最大输出荷载2.5kN，频率范围高达360Hz - 创新特点：在10mm累积位移条件下仍保持性能稳定 - 原型模拟能力：在30g条件下可模拟原型2250kN幅值、12Hz频率的动荷载
研究采用ZJU-400土工离心机（最大加速度150g）进行对比试验： - 土样制备：钱塘江粉质土（最优含水率18%），分层压实至1.76×10³ kg/m³密度 - 模型布置：模型箱内设置5mm闭孔聚苯乙烯泡沫板吸收边界反射波 - 测试方案： - 静态加载试验：按ASTM标准进行快速维持荷载法试验 - 循环加载试验：设置静态荷载比（SLR=0.2）和三种循环荷载比（CLR=0.1⁄0.3⁄0.5） - 频率范围：涵盖低频（0.1-1Hz）、中频（2-4Hz）、高频（8-12Hz）
通过20g和30g模型桩的静载试验显示，换算至原型尺度的极限承载力分别为1600kN和1620kN，仅存在1.25%偏差，证实了模型设计的静态相似性。位移速率突变法判定承载力的方法（图6-7显示当荷载达2000N/4300N时出现显著位移增量突变）与Tomlinson和Boorman的现场观察一致。
动态位移振幅（DDA）呈现三方面特征（图8-10）： 1. 稳定特性：约200次循环后达到动态平衡状态 2. 线性关系：平均DDA与CLR呈线性相关（CLR=0.1⁄0.3⁄0.5时DDA分别为0.614⁄1.577⁄2.610mm） 3. 频率效应：加载频率从0.1Hz升至12Hz时，动力刚度提升约30%，累积沉降速率显著降低
图13-14揭示： - 衰减特征：桩头荷载沿深度逐渐衰减 - 动态平衡：稳定阶段轴力中值和波动幅值保持恒定 - 模型一致性：20g与30g模型桩在原型尺度下的轴力分布高度吻合
研究通过附录1详细推导了桩-土相互作用系统的动力相似条件，附录2则介绍了模拟离心试验应力历史的土工三轴试验方法（图15-18），这为后续研究者复现试验提供了完整的技术路线。特别是对sz1、sz2等无量纲参数的数学处理（公式20-21），展现了Novak平面应变模型在离心试验中的适用性边界。