双向非均质黏性阻尼土中桩基扭转振动频域阻抗解答与分析

基于三维连续黏性阻尼介质理论和径向多圈层复刚度传递模型,综合考虑桩周土径向非均质效应和纵向成层性,建立双向非均质土体中桩基扭转振动简化分析模型。采用拉普拉斯变换和复刚度传递法求解得出土体位移形式解,进而利用桩-土耦合条件将该形式解耦合进桩身动力平衡方程中,并通过扭转阻抗传递法推导得出桩顶扭转阻抗解析解答。将该解退化并分别与均质土及径向非均质土中的解答进行对比验证其合理性。在此基础上,通过参数化分析探讨了桩周土施工扰动程度和扰动范围、扩颈及缩颈缺陷对桩顶扭转阻抗的影响规律,可为具体工程实践提供理论指导和参考作用。     

非均质土中不同缺陷管桩纵向振动特性研究

基于复刚度传递径向多圈层平面应变模型,采用黏性阻尼模型描述桩周土材料阻尼,考虑地基土纵向成层特性,建立径向非均质、纵向成层土中变截面和变模量管桩纵向振动简化分析模型,采用Laplace变换和复刚度传递方法,递推得出桩周、桩芯土体与管桩桩体界面处复刚度,进而利用桩土完全耦合条件和阻抗函数传递性,推导得到变模量和变截面管桩桩顶动力阻抗解析解答,并与已有相关解析解进行退化验证其合理性;通过进一步参数化分析探讨了桩身变模量段、缩颈、扩径及变模量、变截面位置对管桩纵向振动动力响应特性的影响规律,可为具体工程实践提供理论指导和参考作用。     

饱和土中管桩的扭转振动特性研究

基于Biot提出的饱和多孔介质的波动方程,研究了均质各向同性饱和土中端承管桩的扭转振动问题。首先对土层动力平衡方程进行求解并得到土体扭转振动位移形式解,然后对管桩的动力平衡方程进行求解,得到了管桩桩顶转角解析解,进一步通过数值算例分析了桩周土与桩芯土的物理力学参数对管桩桩顶复刚度和桩身转角的影响。数值分析结果表明,在动力基础设计所关注的低频段,桩周土与桩芯土的剪切模量比、壁厚以及桩的长径比对管桩的动力响应有较大的影响,而液固耦合系数的影响很小。     

考虑桩周饱和土扰动效应的楔形桩水平振动阻抗

为了计算考虑桩周土扰动效应下的楔形桩水平振动阻抗,将薄层饱和土径向离散,利用 Biot 波动理论建立饱和土的复刚度传递多圈层水平振动平面应变模型,计算径向非均质的桩周土对桩身的水平动反力;将楔形桩轴向离散,基于 Timoshenko 梁理论建立考虑桩身剪切振动效应的横向振动微分方程,利用传递矩阵法推导桩顶水平振动阻抗的半解析解。对考虑饱和土扰动效应下楔形桩水平振动阻抗的影响因素进行了参数化分析,研究表明：在低频激振下增大楔形角能提高桩顶的水平阻抗,且随着振动频率的提高,增大楔形角会增强阻抗的频率依赖性;在低频激振下桩周土弱化会降低楔形桩的水平阻抗,且随着振动频率的提高,弱化效应会提高阻抗的共振幅值;对于如砂砾、粗砂、细砂等渗透系数较大的饱和土应考虑土体中流体惯性效应对楔形水平振动阻抗的影响;对于桩身长径比小且高频振动的楔形桩,有必要采用可以考虑桩身转动惯量及剪切效应的 Timoshenko 梁模型描述桩身水平振动。     

桩顶柔性约束下非均质饱和土中管桩扭转振动研究

基于Biot波动方程及Novak薄层法理论,采用非线性弹簧模型近似代替上部结构对管桩的柔性约束,并考虑土体剪切模量沿深度的非均质变化,在求得桩周土和桩芯土扭转动力阻抗的基础上,将管桩扭转振动方程离散成差分格式,最终获得了桩顶柔性约束下非均质饱和土中端承管桩扭转振动的频域响应。研究表明:随着柔性约束参数n、M_u的增大,桩顶实刚度在两个参数高、低区段内数值不变,中间随n、M_u逐渐增大,而T_0的影响则与之相反;动阻尼随n、M_u、T_0的变化呈现出近似的正态曲线分布模式;增大土层非均质系数a,将使桩顶实刚度逐渐增大,动阻尼迅速减小,且最终保持不变。     

水平振动荷载作用下桩基动力特性

根据波动力学的基本方程和无限平面内圆孔辐射应力混合边值问题的计算理论,利用傅里叶展开法,求解出在水平简谐荷载作用下,考虑桩与周围土体部分脱开的物理现象时桩周土的动刚度和动阻尼。之后将其应用到Novak的无限薄层理论中,得到了在水平简谐荷载作用下单桩的动刚度、动阻尼以及桩的水平振动幅值随频率的变化曲线。分析可知,在水平振动荷载作用下,桩的水平动刚度较小,水平位移起主导作用;考虑了桩与周围土体局部分离的物理现象后,计算出的桩顶水平振动幅值和频率比较稳定,其结果更接近于试验值;计算时,土体的剪切模量采用由静态试验法测得的桩顶土剪切模量,计算结果与试验值更接近。     

任意形式荷载作用下饱和土中桩的扭转振动特性研究

基于Biot提出的饱水多孔介质的波动方程,研究了均质各向同性饱和土中弹性支承桩的耦合扭转振动问题。通过采用拉普拉斯变换及分离变量法求得土体扭转振动位移形式解。利用桩土系统衔接条件和边界条件,进而得到了桩顶转角响应的拉普拉斯变换域解。进一步采用拉普拉斯逆变换技术,得到了任意形式激振荷载作用下桩顶转角时域响应的数值解。最后,研究了骤加荷载和三角形荷载作用下主要参数对桩顶转角时域响应的影响。     

分数导数描述的层状饱和土中考虑扰动效应的直桩垂直阻抗

为了计算考虑施工扰动效应的单桩垂直阻抗,基于饱和多孔介质理论及分数导数理论对地基的复刚度传递多圈层平面应变模型进行改进,计算了径向非均质的桩周饱和土对桩身的垂直动刚度。其次基于Rayleigh-Love杆模型建立了考虑桩段横向振动效应的轴向振动微分方程,并利用传递矩阵法求解得到了层状饱和土中考虑土体扰动效应的桩顶垂直阻抗的半解析解。对考虑桩周土扰动效应下桩顶垂直阻抗的影响因素进行了参数化分析,研究表明:①桩顶垂直阻抗的共振峰值会随着分数导数阶数的增大而减小,并且该效应会随着外荷载激振频率的增大而越发明显;②对于如砂砾、粗砂、细砂等渗透系数较大的饱和土应考虑土体中流体惯性效应对桩顶垂直阻抗的影响;③与地基表层覆盖软土相比,表层覆盖硬土能在外激振荷载较低时提高桩顶的动刚度系数,在高频时降低系统的共振效应。     

黏弹性土体中悬浮桩的纵向振动特性

将桩底下部土体视为虚拟土桩,桩周土体视为分数阶黏弹性介质,通过考虑桩土边界条件和连续条件,求解分数阶黏弹性土中悬浮桩的纵向振动响应。分析主要桩土力学参量对悬浮桩桩顶复刚度的影响。结果表明：分数导数的阶数对桩顶复刚度的实部和虚部有一定的影响,桩长越长土体对桩基的约束越大,本构模型参数越大,桩顶复刚度的实部越小,而模型参数对复刚度虚部的影响较为复杂。     

轴对称横观各向同性土体中桩的扭转振动响应研究

基于单相弹性土体的运动方程以及横观各向同性材料的本构关系,研究了轴对称条件下端承桩在横观各向同性土体中的耦合扭转振动响应问题.在柱坐标下推导得到横观各向同性土体受谐和扭转荷载作用的动力控制方程,并采用分离变量法求得了土体扭转振动位移形式解.依据桩土接触面上的衔接条件,求解了桩身的动力平衡方程,并在频域内得到了桩身转角、扭矩和桩顶复刚度的解析解.最后分析了横观各向同性土体的力学参数对动力响应的影响.结果表明,横观各向同性土体的力学参数对桩顶复刚度、桩身转角和扭矩沿深度方向的变化均有着显著影响.     

考虑土体径向位移时桩土耦合纵向振动特性及其应用

从三维轴对称土体模型出发,同时考虑土体竖向和径向位移,对完整端承桩在垂直谐和激振力作用下与土的耦合纵向振动特性进行了分析。假定桩为竖直弹性等截面体,土为线性粘弹性体,其材料阻尼为滞回阻尼。首先通过引入势函数对土体位移进行分解,从而将土体动力平衡方程解耦,求解得到了土体的振动模态形式,然后利用该解,以小应变条件下桩土接触面上力平衡和位移连续条件来考虑桩土耦合作用,求解桩的动力平衡方程,得到了桩的频域响应解析解、桩顶复刚度和速度导纳。利用所得解对土体动力反应特性和桩的纵向振动特性进行了无量纲参数分析,得到了许多新的结论。     

地震波作用下的FDV土层单桩桩顶放大效应

将基岩上的土体视为黏弹性介质,且土体的本构关系利用分数导数黏弹性(FDV)模型来描述。借助三角函数的正交性和土体的边界条件求解SH简谐地震波作用下FDV场地土的水平振动位移。以土体中的圆形截面端承桩为研究对象,将桩土之间的相互作用等效为动力Winkler弹簧－阻尼器,在Novak平面假定的基础上求得由于桩土相互作用引起的FDV土层的径向和环向位移,进而得到了等效动力Winkler弹簧－阻尼器的刚度系数和阻尼系数,在此基础上求解SH简谐地震波作用下FDV土层中单桩的水平振动,得到了FDV土层中单桩桩顶的放大因子。研究表明：分数导数的阶数和土体模型参数对SH简谐地震波作用下FDV土中单桩的共振有较大的影响;在低频时桩土的密度比和模量比对FDV土中单桩桩顶放大因子影响很小,在高频时有一定的影响。     

考虑径向波动效应的黏弹性支承桩纵向振动阻抗研究

基于桩体三维轴对称模型考虑其径向波动效应,将桩及桩周土分别视为弹性和黏弹性连续介质,建立了三维轴对称桩-土耦合系统纵向振动分析模型。具体采用分离变量法分别求得桩身及桩周土位移基本解,进而利用桩土完全耦合条件推导得出频域内桩顶动力阻抗解析解答,并将所得解析解与已有解答进行比较验证其合理性。在此基础上,通过进一步参数化分析探讨了桩底支撑刚度系数、桩身径向波动效应及桩长对桩顶动力阻抗的影响规律。结果表明:当桩身长径比较小时,采用Rayleigh-Love杆模型近似考虑桩身三维波动效应误差较大,此时采用三维轴对称桩体模型和所得相关解析解答更能合理考虑桩身径向波动效应的影响。     

黏弹性地基中基于虚土桩模型的桩顶纵向振动阻抗研究

基于虚土桩模型,对均质粘弹性地基中桩土纵向耦合振动问题进行了研究。首先,假定桩侧土为各向同性的线性粘弹性材料,并考虑土体的竖向波动效应,结合Euler-Bernoulli杆件理论,建立了桩土纵向耦合振动的定解问题;其次,采用分离变量法求解桩侧土纵向振动的控制方程,得到了桩侧土与桩身接触面上的剪切动刚度,将所得的剪切动刚度代入到桩身振动控制方程,采用Laplace变换技术,进一步求得了任意荷载作用下桩顶纵向振动阻抗的解析解。基于所得解,详细讨论了不同桩身设计参数时桩端土厚度对桩顶纵向振动阻抗的影响。最后,将虚土桩模型与其他桩端土支承模型进行了对比研究,结果表明,对虚土桩模型选用合适的材料参数和桩端土厚度,其得到的桩端支承复刚度值介于现有多种模型的计算值之间。     

考虑横向惯性效应时黏弹性支承桩纵向振动特性研究

考虑土体三维波动效应及桩身横向惯性效应,建立了均质滞回阻尼土中黏弹性支承桩受稳态或瞬态纵向激振时的定解问题,并获得了严格桩土耦合条件下的解析解。首先,将桩底土层对桩及桩侧土层的作用简化为均布Vogit体,桩视为Rayleigh-Love杆,利用土体三维轴对称振动方程,土层边界条件,以及桩与桩侧土接触面上的纵向和径向位移连续条件,求解得到桩侧土作用在桩身的剪切复刚度。然后,结合桩底黏弹性支承条件,推导得到桩顶复阻抗函数的解析解。最后,采用参数分析方法,研究了横向惯性效应对单桩桩顶动力响应的影响规律及其与桩及土层参数的关系。结果表明:相对于不考虑横向惯性效应,计及横向惯性效应时单桩纵向振动特性的差异受桩及土共同的影响。     

考虑横向惯性效应时黏弹性支承桩纵向振动特性研究EI北大核心CSCD

考虑土体三维波动效应及桩身横向惯性效应,建立了均质滞回阻尼土中黏弹性支承桩受稳态或瞬态纵向激振时的定解问题,并获得了严格桩土耦合条件下的解析解。首先,将桩底土层对桩及桩侧土层的作用简化为均布Vogit体,桩视为Rayleigh-Love杆,利用土体三维轴对称振动方程,土层边界条件,以及桩与桩侧土接触面上的纵向和径向位移连续条件,求解得到桩侧土作用在桩身的剪切复刚度。然后,结合桩底黏弹性支承条件,推导得到桩顶复阻抗函数的解析解。最后,采用参数分析方法,研究了横向惯性效应对单桩桩顶动力响应的影响规律及其与桩及土层参数的关系。结果表明:相对于不考虑横向惯性效应,计及横向惯性效应时单桩纵向振动特性的差异受桩及土共同的影响。     

考虑实际分布形式的水平受荷桩桩周土抗力分析方法

p-y曲线法被广泛应用于水平受荷桩荷载位移响应的分析中,但该方法无法准确地反映出桩周土抗力的实际分布形式。鉴于此,该文考虑了桩-土实际相互作用,假定随着径向位移的增加,桩的被动侧径向土压力呈双曲线形式增大,主动侧径向土压力呈线性减小,从而建立了桩周径向土压力与径向位移的关系;在此基础上,对摩阻力的初始刚度进行修正,引入双曲线荷载传递模型求解了桩周环向摩阻力;最后提出了考虑实际分布形式的桩周土抗力分析方法,并通过2个算例验证了正确性。通过参数分析表明:径向土压力和环向摩阻力对土抗力的贡献程度与水平位移有关;极限状态下,传统的桩侧环向摩阻力水平分量不均匀分布的形状系数偏大,该文给出了建议的取值;对径向土压力水平分量和环向摩阻力水平分量进行归一化分析,得到了拟合曲线公式,可为后续分析提供参考。     

静钻根植竹节桩竖向动力响应研究

基于桩周土径向非均质的平面应变模型,研究静钻根植竹节桩的纵向振动桩顶响应问题。使用剪切复刚度传递方法,得到桩侧剪切复刚度;根据桩身竹节特性,将桩土体系沿纵向划分为有限个微元段,并采用虚土桩模型模拟桩底土对桩端的支承作用;利用拉普拉斯变换和阻抗函数递推方法,同时考虑到桩身的横向惯性效应,利用卷积定理和傅里叶变换,求得瞬态激振力作用下桩顶速度响应的半解析解;在此基础上,对该解进行了合理性验证,与退化解和工程实测曲线进行了对比。最后,分析了竹节半径和间距、桩周水泥土参数及其渗透区域范围、水泥土纵向不均匀性等因素对桩顶动力响应的影响,提出了在静钻根植竹节桩低应变完整性测试中应该注意的相关问题。     

考虑桩身横向惯性效应和桩周土竖向支承作用的楔形管桩纵向振动特性

该文研究考虑桩身横向惯性效应和桩周土竖向支承作用的楔形管桩纵向振动特性。首先,根据楔形管桩特殊的桩身结构和桩周土的成层性,将桩-土系统沿纵向划分为若干微元段,采用Voigt体模型模拟桩周土对楔形管桩桩段的竖向支承作用;基于考虑土体竖向波动效应的三维轴对称模型建立桩周土纵向振动控制方程并求解,得到桩-土之间的侧摩阻力;然后,基于Rayleigh-Love杆模型建立桩的纵向振动控制方程以考虑其横向惯性效应,求解桩的振动控制方程并结合Laplace变换和阻抗函数递推,得到考虑桩周土竖向支承作用的桩顶复阻抗和速度导纳解析解,进一步地,通过卷积定理和Fourier逆变换得到桩顶时域响应半解析解;最后,通过与已有解的对比验证了该文解的合理性,并通过参数分析的方法研究了桩身横向惯性效应、桩周土竖向支承作用及桩身参数对桩顶动力特性的影响。     

非完全粘结下饱和土中桩扭转振动的解析解

采用解析方法研究了桩土界面非完全粘结条件下饱和土中端承桩的扭转振动问题。利用Kelvin模型模拟饱和土层和端承桩接触面的相对滑移,与以往桩土界面连续性模型进行了对比。根据Biot波动原理,采用Novak薄层法推导了饱和土层对扭转振动桩的动力阻抗。将端承桩等效为Euler-Bernoulli杆模型,给出了桩顶动刚度因子和等效阻尼随激励频率的响应。通过算例分析了相对滑移和连续性两种模型条件下桩顶刚度因子和等效阻尼的差异。结果表明:当外荷载激励频率较大时,完全粘结条件下桩顶动刚度和动阻尼的振幅小于滑移条件下桩顶动刚度和动阻尼的振幅。因此,采用非完全粘结条件模拟桩土接触面更为合理。