扩底大直径桩-饱和土耦合振动数值模拟分析

基于大型有限元软件ANSYS建立饱和土中扩底大直径桩的纵向振动数值计算模型。对桩顶施加半正弦脉冲,并得出桩顶节点的速度时域曲线。在此基础上分析了桩侧土中水的体积分数以及桩侧土的剪切波速对桩顶速度时域曲线的影响,进一步完善了扩底大直径桩纵向振动特性的研究,对工程实践有一定的指导意义。     

三维波动土中带承台单桩的纵向振动特性研究

基于考虑三维波动的桩周土模型和虚土桩法,研究三维波动土中承台–桩–土相互作用的纵向振动特性。首先,根据桩周土和虚土桩的成层性将桩土系统划分为若干层,运用阻抗函数递推法得到桩顶的位移阻抗函数,进而得到承台–桩系统的位移响应的频域解析解,利用Laplace逆变换得到承台–桩系统位移时域响应的半解析解。然后通过参数分析,研究桩周土的剪切波速、黏性阻尼系数和泊松比对承台–桩系统纵向振动的影响;同时研究多层土中硬质夹层剪切波速,厚度和深度对承台–桩系统纵向振动的影响。研究结果表明,相比于桩侧土黏性阻尼和泊松比,桩侧土剪切波速对承台–桩系统纵向振动影响更大;上层土对承台–桩系统纵向振动的影响大于下层土。最后将理论计算结果与现场实测曲线进行对比,证明该三维波动土中承台–桩–土相互作用的模型较为合理。     

管桩-土耦合纵向振动理论解与数值解对比研究

在管桩桩周土均匀条件下,进行了管桩纵向振动理论解与数值解的对比研究。首先利用理论解结果分析了管桩壁厚及桩侧土剪切波速的变化对桩顶频域和时域响应曲线的影响,其次再利用有限元计算软件进行数值建模,并计算得到了壁厚及桩侧土剪切波速的变化对桩顶时域曲线的影响,最后将理论解与数值解进行对比分析,得到了数值计算结果能够很好地趋近于理论解。     

土塞效应对管桩纵向动力特性的影响研究

基于附加质量法,研究考虑土塞效应时成层地基中管桩的纵向振动问题。首先,根据桩侧土、桩端土的成层性,将桩土系统沿纵向划分为有限个微元段,并采用虚土桩法和附加质量法建立了桩土系统的纵向振动控制方程。然后,运用Laplace变换技术和阻抗函数递推法,推导得到了考虑土塞效应时管桩纵向振动的桩顶速度频域响应解析解和半正弦脉冲激振力作用下相应的桩顶速度时域响应半解析解。最后,分析了附加质量法中Voigt模型参数的敏感性区间,讨论了土塞效应对管桩纵向动力特性的影响规律,并通过模型试验验证了所提理论解的合理性。结果表明：①当附加质量法中的Voigt模型参数逐渐增大时,土塞与管桩之间的相互影响将逐渐增强;②在桩顶速度时域响应曲线上,土塞顶部界面位置处会出现类似扩颈桩段的反向反射信号;③由于土塞的存在,填充土塞桩段的综合波速会小于管桩材料的一维弹性纵波波速,且土塞高度越高,填充土塞桩段的综合波速越小。     

薄壁管桩在均质土中的纵向振动研究

在弹性地基中,基于三维连续介质土模型,对均质土中薄壁管桩的纵向耦合振动特性进行了研究。通过建立管桩纵向振动方程,采用Laplace变化法,根据边界条件和初始条件,求解得出均质土中桩顶频域解析解和时域半解析解。然后进行了管桩壁厚、管桩的纵波波速、外半径等参数的改变对桩顶动力响应的影响分析,并用数值软件Matlab进行曲线拟合,得出各参数变化对管桩纵向振动影响规律。     

低应变检测中振源及桩土相互作用的影响分析

敲击回波法是基桩完整性检测的有效方法,基于一维应力波理论,可以根据桩顶反射波质点振动速度响应曲线(包括走时、幅值及相位)来确定桩体波阻抗变化范围及程度。然而,在实际中,桩是柱体而非杆件,截面变形不均匀。通过点源激发的波分量及在桩顶侧面的反射波,分析了桩顶近场三维波动现象,并基于圆柱中纵向波对远场波进行分析。结果表明,在测点位置及激振频率满足一定的要求时,三维波动特性及纵向波频散特性可以削弱,桩的动测信号可近似用一维应力波理论来分析。在桩土相互作用下,桩体中应力波随传播衰减,分析了桩土剪切波速差异对应力波衰减影响规律,结果表明,应力波衰减不仅与桩土剪切波速比值有关,而且还与桩土剪切波速绝对值有关,桩体剪切波速越低、土体剪切波速越高,应力波衰减越快。     

纵向振动桩侧壁切应力频率域解及其应用

利用Fourier变换 ,得到纵向振动桩在简化条件下侧壁切应力的频率域表达式 ,应用该表达式获得桩周土的等效刚度系数k和等效阻尼系数c的计算式 ,它们是桩周土剪切波速和密度、桩半径和振动频率的函数 ,把它们用于桩瞬态纵向振动计算 ,并与工程桩反射波法动测曲线进行对比 ,两者有较好的一致性     

成层土中桩身内外部缺陷低应变动态响应研究

采用ABAQUS软件模拟基桩低应变完整性动测过程,分析桩周土对动测曲线的影响,重点研究成层土对桩身内外部缺陷反射波形的影响。结果表明,成层土中土层模量差异是导致动测曲线产生类似桩身缺陷反射波形的主要因素;考虑同一桩身完整性系数且缺陷深度相同的情况,对内外部缩径桩,当桩身外表面缩径处的土体模量和桩身模量较接近时,外部缩径处的反射波形将呈现类似扩径的反射波形;而对离析桩,桩身内外部缺陷位置变化对反射波形影响不大。     

饱和土中大直径缺陷桩振动特性研究

为了研究成层饱和土中带缺陷的大直径灌注桩的振动特性,首先基于饱和多孔介质理论和平面应变理论建立饱和土中考虑施工效应影响的桩土纵向振动模型,利用剪切复刚度传递方法得到桩周土体对桩身的竖向作用;然后考虑桩身横向惯性效应,结合边界条件,利用阻抗函数传递方法得到桩顶复阻抗,利用傅里叶逆变换得到桩顶速度时域响应;接着通过与已有理论解和工程实测曲线进行拟合对比,证明本文解的合理性;最后对桩身缺陷特性、桩周土体性质等参数进行分析,结果显示:缺陷的大小、长度和位置、桩身横向惯性效应以及桩周土性质都会对低应变完整性检测结果产生较大影响。     

单相-饱和成层土中管桩纵向振动数值分析

运用ANSYS有限元软件,建立单相土和饱和土与管桩相互作用的数值模型,改变桩土参数进行数值计算并提取桩顶节点速度时域曲线.分析了单相土层剪切波速变化和土塞高度变化与桩顶时域曲线的关系,进一步完善了桩侧成层土为单一土层的弊端.     

低应变反射波法测桩的轴对称问题数值计算

建立了更符合工程实际的桩土系统瞬态振动计算模型。利用有限差分法计算了完整桩在瞬态轴向激振力作用下的动力响应,比较分析了三维和一维桩顶轴向速度响应的差别。结果表明:相对激振半径、桩周土剪切波速也是影响三维效应的重要因素;传感器放在0.55R(R是桩的半径)处可以得到干扰较小的信号。绘制了不同时刻的波场图,直观地反映了波在桩中的传播规律。     

饱和土剪切波速在基桩缺陷定量分析中的应用研究

在基桩缺陷定量分析中准确定量地描述桩土之间的相互作用是非常重要的。以黏滞阻尼器模拟桩土之间的相互作用,对6种饱和土进行了桩土相互作用模型试验和剪切波速试验。试验结果表明,可以对这些饱和土在土剪切波速与阻尼系数之间建立一致的相关关系。同样依据试验结果分析了试验阻尼系数和理论值的差别,得到了以剪切波速的函数表示的理论值修正系数。由桩身纵向振动响应解析解利用正交试验方法分析了阻尼系数、瞬态冲击力的脉冲宽度和幅值、桩弹性模量、桩密度、桩长以及桩截面积对速度波衰减过程的影响,确定了阻尼系数是影响速度波衰减的唯一显著因素,得到了速度波沿桩身的衰减规律。进而结合土剪切波速与阻尼系数之间的相关关系和桩身缺陷处的能量分配特性建立了利用土剪切波速和桩顶速度响应进行基桩缺陷定量分析的关系式。根据建立的关系式分析了利用剪切波速确定阻尼系数所带来的误差,结果证明由剪切波速最终得到的缺陷程度相对利用试验阻尼系数得到的结果误差一般在10%以内,所以利用剪切波速确定阻尼系数是可行的。     

大直径变截面桩速度波衰减特性研究与应用

针对大直径桩在低应变测试中的三维效应和缺陷量化分析问题,建立变截面桩–成层土耦合振动模型,考虑桩身的三维波动,通过建立层间递推关系求解得到桩身任意位置纵向振动响应的频域解析解,并利用傅里叶逆变换得到时域内半解析表达。在此基础上,分别针对完整桩和缺陷桩,探讨不同条件下桩身入射速度波沿径向和纵向的幅值和走时变化规律。最后通过现场试验对某混凝土灌注桩的桩顶及桩身内部纵向振动响应进行测试,验证了本文解的合理性。理论与试验结果表明:(1)中心瞬态激振条件下大直径桩的三维效应显著,其影响深度与桩顶激振力的作用面积和持续时间相关;(2)速度波沿桩身的纵向衰减特性能够较好地反映出桩身完整性和桩侧土阻力特性,这一研究结果能够为基桩完整性检测提供一种新的思路和方法,具有一定的工程应用价值。     

饱和土中单桩在瑞利波作用下的动力响应

研究了频域内半空间饱和土中单桩在瑞利波作用下的动力响应。首先利用Muki的虚拟桩方法,将桩土共同作用问题分解为拓展的半空间饱和土和虚拟桩的叠加。拓展的半空间饱和土用Biot理论求解,而虚拟桩则用杆和梁的振动理论求解。利用半空间饱和土的基本解和自由波场解及桩、土间变形协调条件,建立了桩土共同作用的第二类Fredholm积分方程。对积分方程的数值求解可得桩在瑞利波作用下的动力响应。数值结果显示了饱和土的渗透系数、桩土相对刚度及入射波的频率对桩的动力响应有显著影响。     

桩与滞回阻尼土相互作用时桩基扭转振动时域响应分析

考虑桩土相互作用效应,对均质滞回材料阻尼土中弹性支承桩桩顶扭转振动时域响应进行解析理论研究。首先建立桩与滞回阻尼土在谐和振动条件下的定解问题,然后先对土层动力平衡方程进行求解并得到土体振动扭转角形式解,接着依据平衡条件将该形式解耦合进桩身动力平衡方程,并通过对桩动力平衡方程的求解,最终得到桩顶扭转角和速度频率响应解析解和半正弦脉冲激励作用下桩顶速度时域响应的半解析解。通过与其他相关理论解的对比验证该解的正确性和适应性,并对桩土相互作用时桩顶扭转振动时域特性进行分析,重点探讨桩周土滞回阻尼、长径比、模量等常规参数对桩顶时域响应的影响,得到若干结论。     

基桩完整性定量分析

基于一维应力波理论，通过对桩顶实测质点速度波形及分析，可以了解桩身波阻抗分布，若已知桩身截面，可确定混凝土弹性模量的变化；若已知混凝土弹性模量，可确定桩身截面变化。桩周土对应力波传播的影响可与土性参数联系起来，它比完整桩实测波形反分析确定的阻尼系数更具有实用价值，且物理意义明了。此外，文中还讨论了桩端形状对实测和分析的影响。     

平行地震波法探测桩长的影响因素试验研究

针对平行地震波法探测既有桩基长度的现场实施问题,依托某市政桥梁工程开展了桩基原位测试试验,着重研究桩顶激振方式、桩端嵌岩条件与上部结构等因素对平行地震波法波形的影响。结果表明:当桩基顶面自由时,竖敲和横敲获得的地震波波形总体一致,初至波振幅衰减程度随桩 孔测试间距增加而增大;测试孔距离桩基越远,初至波到达时间拟合直线形态受地层不均匀性影响越显著;桩端嵌入完整基岩导致桩身段波速与桩底持力层波速相差不大,难以通过拟合直线法确定桩底埋深,但结合地质情况和施工工艺可初步判断桩端是否进入岩层及桩底与基岩粘结质量;对于上部结构已建成的桥梁桩基,采用不同角度横敲墩柱侧面,产生的初至横波传递衰减较快,利用辅助装置斜敲墩柱侧面可增加地震波中的纵波成分,显著改善平行地震波法测试信号质量。     

桩土耦合扭转振动理论研究与特性分析

从三维轴对称角度出发,对弹性支承桩与均质土耦合作用时的扭转振动特性进行了研究分析。假定桩为竖直弹性均匀截面桩,土为线性黏弹性体,其材料阻尼为滞回阻尼,首先通过对土层进行求解得到其振动扭转角的形式解,然后利用该解并以小应变条件下桩土接触界面位移连续和力连续来考虑桩土的耦合作用,来分析基桩的动力反应,研究得到了弹性支承桩在谐和激振扭矩作用下频域响应函数解析解,并利用所得解对土层动力反应特性以及桩土体系的扭转振动特性进行了深入分析,得到了一些新的结论。     

Frequency- and intensity-dependent impedance functions of laterally loaded pile groups in cohesionless soil

The frequency-dependent horizontal impedance functions of a model floating 2 × 2 pile group, embedded in cohesionless sand under a 1g condition, were investigated experimentally. The tests were conducted using large amplitude loads inducing soil yielding. The soil-pile system was housed in a laminar shear box fastened to the top of a unidirectional shaking table. Quasi-static and dynamic loads were applied in a lateral direction under the fixed pile-head condition to evaluate the force–displacement relationship and the horizontal impedance functions, respectively. The results of the quasi-static loading exhibited rate-dependent behavior for the lateral load-bearing capacity of the piles. Notably, the analysis of the soil surface near the piles, using a stereo-PIV calibration, demonstrated a consistent failure pattern despite the significant variation in velocity. Furthermore, an important observation was the convergence of the horizontal dynamic impedance functions towards the secant static stiffness as the amplitude of dynamic loading increased.