成层广义Voigt地基中粘弹性桩纵向振动分析与应用

研究了考虑身材料阻尼、桩侧土采用广义Voigt模型条件下，成层土中不均匀桩（截面面积或材料性质在桩长方向上存在突变）的纵向振动特性，求得了瞬态半弦脉冲荷载作用下，桩顶频域响应的解析解及时域响应的半解析解，分析了桩身材料阻尼及不同土质的桩侧土层分界面对桩顶时、频响应曲线的影响，得到了许多新的结论，终将所得理论结果与实际工程桩及预制模型桩的实测曲线进行了拟合对比，结果表明，本文得到的理论成果相比于已有成果能更好地反映客观实际。     

径向非均质黏性阻尼土中管桩纵向振动特性

为分析施工扰动对管桩纵向振动特性的影响,发展建立了基于复刚度传递径向多圈层平面应变模型黏性阻尼土中管桩-土体纵向耦合振动模型.利用拉普拉斯变换和径向复刚度传递,得到桩芯土与桩身界面处的复刚度,并利用桩土界面上位移连续、力平衡条件推导得出桩顶动力阻抗的解析解,通过进一步参数化分析分别探讨桩长径比、桩内外径比、桩身弹性模量、土体黏性阻尼系数、桩周土施工扰动程度和扰动范围对桩顶纵向振动特性的影响规律.结果表明:管桩桩长增加使得桩顶动力阻抗曲线振幅和共振频率降低;桩芯土体对桩体可以起到减震作用;桩顶动刚度和动阻尼曲线振幅随施工引起桩周土软(硬)化程度增加而减小(增大);管桩桩顶动力阻抗振幅水平随施工扰动引起桩周土体软(硬)范围增加而增大(减小),此种影响仅在近桩小范围内较为明显,超出该范围即大幅衰减至稳定;当施工扰动较明显时,在管桩纵向振动特性分析中宜考虑此种桩周土体径向非均质性的影响.     

考虑桩土相互作用的变阻抗桩纵向振动特性

目的揭示竖向动力荷载下变阻抗桩与土相互作用时的振动特性.方法从三维轴对称模型出发建立了定解问题,利用拉氏变换手段和阻抗函数的传递性,推导求解了任意段变阻抗桩纵向振动时桩顶频域响应理论解,并进行了参数影响分析.结果分析表明存在临界桩长,此桩长以内缩颈桩动刚度及阻尼相比正常桩较小,扩颈桩则较大,变截面桩动刚度及阻尼在频域有大峰夹小峰现象.桩缺陷段长度、大小对桩顶影响与位置密切相关,变模量桩有类似规律,但与正常桩相比,桩底反射时间不同.结论笔者提出的考虑桩土相互作用的变阻抗桩纵向振动理论解,与桩土众多常规参数建立了明确关系,相比W inkler和平面应变解可以考虑桩土三维波动效应,具有更高的精度和适用性,为桩基抗震、防震分析与设计提供了参考依据.     

静钻根植竹节桩纵向振动特性及应用研究

针对"静钻根植竹节桩"这一新桩型的特点,建立考虑桩周土径向和竖向非均质的桩体纵向振动定解问题.采用阻抗函数递推方法,结合拉氏变换对定解问题进行求解,得到桩顶阻抗函数.利用卷积定理和傅里叶逆变换,求得任意激振力作用下桩顶速度响应的半解析解.通过比较低频范围内桩顶复刚度响应曲线和时域内桩顶速度响应曲线,分析竹节长度和竹节半径、桩周扩底高度和扩底半径、浆液配比及桩周水泥土硬化的时效性和搅拌均匀性等因素对桩顶动力响应的影响,揭示这一新桩型的动力特性.将理论计算曲线与现场实测曲线进行拟合对比.结果表明:理论计算曲线与现场实测曲线较为吻合,采用所建立的模型能够较好地反映静钻根植竹节桩的实际动力特性.     

基于桩侧虚土桩模型的桩-桩芯土竖向动力响应

考虑桩芯水泥土与桩身的较强黏结性,提出桩侧虚土桩模型来模拟桩与桩芯土塞的相互作用,建立含水泥土土塞的竹节桩纵向动力模型. 通过阻抗函数递推方法得到简谐激振下桩顶动力响应频域解析解和时域半解析解,与三维有限元数值模型进行拟合对比,验证理论模型的合理性;通过参数分析研究水泥土相关参数对桩顶动力特性的影响;通过室内水泥土试验以及现场桩基试验,研究竹节桩桩芯水泥土对桩身低应变测试曲线的影响;根据实测曲线对模型中的关键参数进行拟合反演. 结果表明：竹节桩桩芯土塞高度增加会引起桩底反射信号减弱以及桩身综合波速减小,土塞模量增加会引起桩底反射信号减弱和轻微提前;拟合得到的虚土桩尺寸系数较为稳定;桩芯水泥土的阻尼系数与经验公式计算结果差异较大;在参数拟合过程中,理论模型计算得到的结果与实测曲线较符合,本研究理论模型可以较好地模拟桩与水泥土的动力相互作用.     

饱和土层中桩的扭转振动响应分析

基于饱和多孔介质理论研究了在三维轴对称条件下端承桩在饱和土中的扭转耦合振动问题,提出了桩与土在谐和振动情况下的定解问题，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，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，得到桩顶转角和切向速度频域响应解析解和半正弦脉冲激励作用下桩顶时域响应的半解析解.数值分析结果表明，桩的长径比和波速比对桩顶动力响应有较大的影响，孔隙率和渗透力影响较小.将扭转振动结果与纵向振动分析结果进行了对比，二者在图形形状上有很多相似之处.     

考虑桩体剪切变形的分数导数黏弹性土层中单桩水平振动

建立了分数导数黏弹性（FDV）土层的水平振动控制方程,在Novak平面应变假定的基础上,求得FDV土体的水平动力等效刚度和阻尼.利用等效Winkler动力弹簧-阻尼器模型描述桩基和土体之间的动力相互作用,将桩体简化为Timoshenko梁模型,在同时考虑桩体弯曲和剪切变形的情况下建立了单桩水平振动的控制方程,求得了考虑桩体剪切变形的FDV土层中单桩的水平动力阻抗,讨论了分数导数的阶数、土体本构模型参数和桩体剪力形状系数对桩顶水平动力阻抗的影响.研究表明：对FDV土层中单桩的水平动力阻抗,采用Euler梁模型和Timoshenko梁模型得到的结果存在较大差异;分数导数的阶数主要对桩顶水平动力阻抗随频率变化曲线的峰值有的影响;FDV土体本构模型参数Tσ/Tε越小,桩顶的水平动力阻抗越大.桩体剪力变形系数对桩顶水平动力阻抗有较大影响.     

大直径桩-土系统作用下解析解与室内模型试验研究

将桩视为一维杆件的基础上考虑桩身横向惯性效应,建立大直径桩与三维连续介质土耦合振动模型,得出此模型的耦合振动方程,并得到大直径桩顶时域响应半解析解,分析大直径桩代表性参数对桩-土系统的动力影响;随后开展大直径模型桩室内试验研究,对模型桩桩顶施加小应变激振力,通过EPPDS型无线基桩动测仪进行小应变下的桩顶数据采集,对改变模型桩的直径及桩身材质进行相关参数研究,将理论计算的结果与试验测试数据进行对比分析,证实了理论解分析的正确性及对实践指导的可靠性。     

桩底沉渣性质对成层粘弹性土中大直径灌注桩动力响应的影响

为了研究桩底沉渣性质对成层粘弹性土中大直径灌注桩动力响应的影响。首先，将桩底沉渣看作虚土桩，并引入Rayleigh-Love杆模型建立桩及虚土桩纵向振动控制方程，以近似考虑大直径灌注桩的三维效应；然后，基于三维轴对称模型建立桩周土纵向振动控制方程；求解桩-土体系振动控制方程，并结合Laplace变换、阻抗函数递推、Fourier逆变换等方法，得到桩顶频域及时域响应理论解；基于所建立的理论解答，揭示大直径灌注桩三维波动效应的规律，并分析桩底沉渣性质对其动力响应的影响；最后，通过与实测结果的对比验证该解的可靠性。     

嵌岩桩沉渣特性对桩顶动力响应的影响

基于虚土桩模型,运用Laplace积分变换和阻抗函数递推方法研究了纵向任意激振力作用下沉渣特性对成层土中嵌岩桩桩顶动力响应的影响.将桩端沉渣模拟为虚土桩,对桩侧土采用平面应变模型,并考虑其成层特性,结合初始条件和桩顶及沉渣底部的边界条件,求得在桩顶任意激振力作用下,考虑沉渣影响的桩顶频域响应解析解及时域响应半解析解.基于理论解,分析了沉渣特性对桩顶动力响应的影响,并将理论计算结果与工程桩低应变反射波法实测曲线进行了拟合对比,结果表明,基于虚土桩模型的理论解能较好地反演出沉渣特性对桩顶动力响应的影响.     

多元复合地基中柔性桩-土-垫层的相互作用

采用柔性桩与桩周土的相对位移表达式来表示多元复合地基中柔性桩桩侧摩阻力的分布规律,结合变形协调条件、物理方程和力的平衡方程,分析了刚性承台下柔性桩-土-垫层的相互作用,并将计算结果与模型试验结果进行了对比。结果表明：增加垫层厚度或提高垫层变形模量均能缓解桩顶应力集中,充分调动桩周土的承载能力;随着柔性桩的刚度提高,或垫层厚度增大,或垫层变形模量提高,柔性桩复合体的承载力均有不同程度的提高;最大桩侧摩阻力位于桩顶以下1／4～1／3桩长处;由于桩顶向垫层刺入使桩身存在负摩擦区,导致桩身最大轴力并不在桩顶,又因柔性桩的刚度不大,桩顶刺入作用较弱,负摩擦区段的长度短,故负摩擦不大。对比试验结果验证了所提出的方法具有可行性,对复合地基的设计计算具有指导意义。     

双向非均质黏性阻尼土中管桩纵向振动特性

管桩施工会使土体产生扰动,从而引起桩周土体沿桩基径向的不均匀性,为同时考虑桩周土体此种径向非均质效应和纵向成层特性对管桩纵向振动动力阻抗的影响规律,提出基于土体黏性阻尼的多圈层平面应变模型,建立双向非均质土中管桩纵向振动简化分析模型,利用拉普拉斯变换和阻抗函数的传递性,推导得出管桩桩顶动力阻抗解析解答,计算结果表明,纵向软硬夹层对一定低频区间内动力阻抗曲线振幅水平影响显著,夹层越软（硬）,共振频率处对应的动力阻抗曲线振幅水平越高（低）.施工扰动引起桩周土径向非均匀性对管桩桩顶复刚度曲线影响显著,在对管桩进行纵向振动特性分析时宜采用双向非均质黏性阻尼土-管桩相互作用模型推导所得解析解答更为合理.     

长短桩复合地基受荷性状的影响因素分析

采用大型有限元软件ABAQUS,对不同褥垫层模量、厚度、短桩模量及基础上不同的荷载对刚柔性长短桩复合地基的长桩与土的应力比、短桩与土的应力比、长短桩应力比、基础沉降的影响及其规律进行了分析.数值分析表明:垫层的存在增大了地基的沉降,可调节复合地基中桩土应力的分配;随着垫层模量的增加,长桩桩身应力增加,短桩应力减小;增加短桩的刚度,复合地基的沉降减少;随着基础顶面荷载的增加,桩土应力比增大,位移差也增大.结合武汉某住宅小区的长短桩静载荷的现场监测数据,分析了工程中长桩与土、短桩与土、长短桩应力比的变化规律.数值分析和现场监测数据分析结果可为该类型地基的设计和施工提供依据.     

饱和黏弹性土中端承桩扭转振动的对比分析

采用Kelvin模型模拟饱和土体和桩的相对滑移,在频率域内研究了饱和黏弹性土层中端承桩的扭转耦合振动.饱和土体的力学行为利用Biot模型描述.将土骨架视为具有分数阶导数本构的黏弹性体,采用Novak薄层法,得到了桩扭转振动时饱和黏弹性土层的动力阻抗.利用Euler-Bernoulli杆模型模拟桩的力学行为,给出了饱和分数导数黏弹性土层中端承桩扭转振动的分析方法和桩顶动力复刚度的解析表达式.在此基础上,分别对以下几个方面进行了对比分析：经典弹性模型、分数导数黏弹性模型和标准线性固体模型的结果;三维模型和薄层法的结果;桩土界面有无相对滑移的结果.考察了分数导数模型参数、饱和土和桩各参数对桩顶刚度因子和等效阻尼的影响.结果表明：在高频处完全接触条件下桩顶刚度因子和等效阻尼的振幅小于滑移条件下;随着阶数和材料参数比的增加,桩顶刚度因子和等效阻尼都有所减小.     

群桩基础优化设计及其在工业厂房中的应用

在讨论桩基承台破坏机理的基础上,给出群桩基础设计的优化方法。桩在承台上采用最优化方式布置,承台优化设计的目标函数为承台混凝土的体积,约束函数考虑承台抗剪切、柱冲切、角桩冲切和沉降等,优化设计由编制的程度完成。通过一工业厂房基础设计的实际应用表明本文优化方法高效实用,并可产生较大的经济效益。     

均质土体中部分埋入桩纵向振动响应研究

基于土体的运动方程,研究了均质各向同性土体中部分埋入桩的纵向振动问题.利用拉普拉斯变换,求得了土体纵向振动位移形式解.根据桩土系统衔接条件和边界条件,得到了桩段1顶部阻抗函数的拉普拉斯变换域解.根据阻抗函数递推原理,傅里叶逆变换和卷积定理,求得了桩顶速度导纳的解析解和半正弦脉冲作用下桩顶速度时域响应的半解析解.最后,通过参数分析研究了桩土系统主要参数对桩顶动力响应的影响.结果表明,上部桩段长度对桩顶速度导纳和速度时域响应有着明显的影响.     

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。     

刚-柔性桩复合地基中承载性状原位试验研究

为了研究刚-柔性桩复合地基在长期荷载作用下应力场的分布规律,在温州地区开展了原位足尺试验. 试验结果表明,地基应力分布与上部结构刚度有关,当上部结构层数较低时,桩间土承担了较高的荷载份额;当上部结构层数较高时,刚性桩和柔性桩桩顶均出现应力集中现象. 复合地基中不同部位桩应力随层数增加呈现出不同的变化规律,褥垫层的设置可以减小不同部位桩的应力差异,刚性桩荷载分担比在无褥垫层时比有褥垫层时要大得多.     

组合荷载作用下倾斜桩基横向承载特性

为研究竖向与横向荷载组合作用下倾斜桩基的横向承载特性,结合珠海市横琴桥桩基选型工程开展了室内模型试验和数值模拟,在此基础上分析了不同桩身倾角、不同桩顶间距、不同竖向荷载及不同层厚比条件下倾斜桩基在组合荷载下的受力及变形特性。结果表明：增大桩身倾角、桩顶间距、承台顶竖向荷载、层厚比有利于提高倾斜桩基横向承载力,其中桩顶间距对桩基横向承载力的影响最大,其次分别为桩身倾角、承台顶竖向荷载、层厚比。倾斜桩基中的2#角桩桩顶弯矩最大,1#角桩桩顶弯矩次之,3#中桩桩顶弯矩最小;各基桩桩顶弯矩随桩身倾角、桩顶间距的增大而减小,随竖向荷载的增大先减小后增大;各基桩桩顶横向荷载分担随桩身倾角、桩顶间距及承台顶竖向荷载的增大趋于均匀。倾斜桩基右侧地基土横向变形随横向荷载的增大而增大,桩基左侧地基土横向变形随横向荷载的增大几乎不变,但其桩-土脱离程度逐渐增大;增大桩身倾角可减小桩-土脱离的程度;靠近承台底的地基土位移等值线呈波浪形,远离承台底的地基土位移等值线呈椭圆形。