海洋高桩基础水平振动特性分析

考虑动水压力作用和桩-流体耦合振动,对黏弹性地基中海洋高桩基础水平振动问题进行了理论研究。首先采用分离变量法求解流体运动方程,得到了动水压力解析表达式。进而考虑桩-土体及桩-流体耦合条件、桩身内力和位移连续条件,基于传递矩阵法,得到了水平简谐荷载作用下海洋高桩基础桩顶阻抗解析表达式。将该解分别退化为水中圆柱梁振动问题及完全埋入式桩水平振动问题,与已有解进行对比,验证了该解的合理性。并与不考虑动水压力的计算结果对比分析,结果表明忽略动水压力会高估高桩基础桩顶水平动刚度。     

非饱和地基中部分埋入桩的水平振动问题EI北大核心CSCD

本文研究非饱和土中部分埋入桩的水平振动问题,为模拟桥梁桩基的高承台桩的实际服役状态,考虑水平简谐荷载和竖向静载的组合作用,采用Timoshenko梁模型和三维连续介质建立了非饱和土⁃部分埋入桩的耦合振动理论模型,利用微分变换法和传递矩阵法求得了桩身水平动力响应解析解,将退化解与已有成果作比较,验证了本文解的合理性。基于建立的理论模型,探讨了竖向荷载、埋入比和饱和度对部分埋入桩水平动力特性的影响。研究结果表明:刚度因子随着竖向荷载的增大而迅速减小,但是阻尼因子略微减小;刚度因子和阻尼因子均随着埋入比的增加而减小;桩身水平位移、转角、弯矩和剪力幅值均随着埋入比的增大而增大,幅值位置逐渐向上移动;饱和度较低的对刚度因子的影响很小,但饱和度大于0.9时刚度因子随饱和度的增加而迅速增大,阻尼因子基本保持不变。     

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。     

径向软化成层土中单桩风机水平振动特性研究

基于多圈层平面应变土体水平振动模型,得到桩周土体径向软化水平动刚度的解析解。在此基础上,建立径向非均质成层土中桩基水平振动模型,利用传递矩阵法得到桩顶动刚度阵,采用等效固定梁模型将桩土系统耦合到风机仿真软件FAST 8中,对桩周土径向软化对风、波浪荷载作用下单桩风机水平动力响应的影响进行研究。结果表明:桩周土软化对桩顶动刚度影响显著,当土体模量衰减系数为0.25时,与均质土相比桩顶水平刚度降低28.66%;随桩周土模量衰减系数的减小,与均质土相比风机系统的1阶和2阶自振频率分别降低13.08%和16.67%;风机塔顶位移、转角的时程和谱响应表明桩周土土体模量衰减系数为0.25时,塔顶位移和转角的方差与均质土分别相差2.68%和1.37%,位移和转角响应谱峰值约为均质土的2.77倍和2.69倍。     

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。     

嵌岩特性对嵌岩桩桩顶纵向振动阻抗的影响研究

基于平面应变模型和Rayleigh-Love杆模型,建立了成层地基中嵌岩桩纵向振动的计算模型和控制方程,结合边界条件和初始条件,采用Laplace变换技术和阻抗函数递推技术求得了任意荷载作用下嵌岩桩桩顶纵向振动复阻抗的频域解析解,并在桩基础动力设计关注的低频范围内详细讨论了嵌岩特性对嵌岩桩桩顶纵向振动阻抗的影响。结果表明：对于同一上覆土层,动刚度随着嵌岩深度的增大而减小,而动阻尼则逐渐增大;对于嵌岩桩段半径等于桩半径的嵌岩桩,动刚度和动阻尼均随着桩身截面半径的增大而增大,对于嵌岩桩段半径小于桩半径的嵌岩桩,随着嵌岩桩段半径的减小,动刚度逐渐减小,动阻尼逐渐增大;随着岩层特性变好,动刚度逐渐增大,动阻尼逐渐减小。     

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。     

非线性土中单桩竖向动力特性分析

在Novak边界层模型基础上,将桩周土分为非线性粘弹性内域和线性粘弹性外域,采用随内域平均应变减小的剪切模量和增长的材料迟滞阻尼比近似考虑内域的非线性粘弹性,采用等效线性方法对端承桩与三维土层的竖向耦合振动进行了研究,得到了非线性土中单桩竖向动力阻抗函数。对动力特性进行算例分析,讨论了内域土非线性、桩长细比、桩-土刚度关系和密度比、材料阻尼、激振荷载幅值等因素对非线性土中单桩竖向动刚度和阻尼的影响,对进一步研究桩-土-结构动力相互作用机理具有理论价值和实践意义。     

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。     

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。     

超长期循环荷载作用下海上风机大直径单桩动力特性演变规律研究

大直径单桩基础是目前应用最广泛的一种海上风机支撑结构，其现有相对成熟的研究主要集中在承载力、累积变形和初始动力特性计算等问题。而海上风机对海洋环境中的风、浪、流、地震波及其运行荷载等动荷载非常敏感，因此在长期循环荷载作用过程中，其振动特性变化规律必须得到充分研究。通过在干砂中对大直径单桩进行室内1g模型试验，以模型桩承载力为参考值，施加相同频率、不同幅值的循环荷载，并在加载过程中进行频响分析，得到桩顶水平位移频响函数，进而得出了以下结论：(1)桩基一阶共振频率随循环次数增大而增大；(2)阻尼比随循环加载次数整体呈降低趋势；(3)桩顶刚度则受循环荷载的致密作用和振动坑的形成等多因素影响，割线刚度主要呈下降趋势，卸载刚度呈增大趋势。     

列车荷载作用下X形桩-网复合地基动力响应研究EI北大核心CSCD

基于大比例X形桩‑网复合地基模型,开展了高速铁路列车荷载下桩‑网复合地基的动力特性试验研究,分析了不同车速情况下地基土的振动速度、动应力和动位移的分布特性,探讨了循环荷载下轨道路堤地基系统的振动响应和路堤内部动应力的分布特征和衰减规律。采用PLAXIS 3D建立数值分析模型,研究了不同列车轴重及振动频率对路堤振动速度响应的影响,对比了无筋路堤与双层土工格栅加筋路堤在动荷载作用下桩顶与桩间土竖向应力的分布规律。结果表明:轨道板表面处竖向位移随时间呈“M”形周期性变化;竖向速度响应在路堤表层处最大,沿地基横向及深度方向逐渐衰减,在路堤中衰减了近90%。随着加载频率及加载幅值的增大,土体振动速度逐渐增大。动荷载对无筋路堤影响显著,土拱效应明显减弱,桩土应力比值随加载频率的提高逐渐减小。土工格栅加筋路堤张力膜效应能够减小动荷载对复合地基的影响。     

循环荷载频率和幅值对有砟道床动力行为的影响

为研究有砟道床在长期反复列车荷载作用下的动态响应及劣化规律,利用离散元分析软件PFC并考虑道砟的真实外形,建立可考虑道砟破碎劣化的有砟道床离散元计算模型,研究分析了不同频率、不同幅值循环荷载作用下有砟道床的振动响应、道砟受力以及道砟摩擦耗能、破碎行为。结果表明:道砟的振动加速度随动荷载频率和幅值的提高而非线性增长;道砟所受的接触力主要受荷载幅值影响,受荷载频率影响较小,荷载幅值提高,道砟接触力增大;提高荷载频率和幅值均会增加道砟的摩擦耗能,在荷载作用初期,道砟的摩擦耗能有一个突增过程;动荷载的幅值对道砟的破碎行为占主导因素,荷载幅值较低时道砟稳定在较低破碎水平,荷载幅值较高时道砟破碎现象加剧并受荷载频率影响,此时荷载频率越高道砟破碎越严重。     

饱和土中摩擦桩竖向振动解析解及应用

采用与频率相关的桩土接触面模型建立了三维轴对称条件下摩擦桩在饱和土中的竖向耦合振动模型,通过势函数分解法和分离变量法求解了饱和土动力固结方程,利用桩土耦合条件得到摩擦桩竖向振动解,对桩周剪应力分布、桩顶的频率和时域响应进行了参数研究.结果表明,桩底支承系数和桩土接触面动刚度对桩土荷载传递有明显影响,频率相关的阻尼系数可...     

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。     

预应力管桩动测承载力数值分析及参数取值研究

在基桩动测承载力计算时,桩周土动力参数取值未考虑与其埋深的关系、各土层阻尼系数和最大弹性变形值未根据土层性质分别取值进行计算,这与实际情况不相符合。为了使基桩动测承载力计算结果更接近实际情况,通过桩周土动三轴试验,分析动力参数取值与其土层埋深的关系;在Bowles方法的基础上,各土层采用不同阻尼系数,以及各土层采用不同最大弹性变形值,对该分析方法进行改进;通过对典型泥质粉砂岩持力层的12根试验桩进行极限荷载试验,验证和修正该数值计算方法。研究结果表明土层分布尤其是较浅部土层分布对锤击桩时土动力学响应影响较大;改进方法计算基桩动测承载力更为合理。     

简谐荷载作用下非饱和土地基中波阻板隔振效果研究

鉴于非饱和土地基振动问题的普遍性和复杂性,环境振动下非饱和土地基振动控制已成为土动力学的研究热点。基于单相弹性介质和非饱和多孔介质理论,对简谐荷载作用下非饱和土地基中设置单相固体波阻板的隔振效果进行了研究。考虑地表排水排气的边界条件,利用Fourier积分变换和Helmholtz矢量分解原理,建立了动荷载作用下地基动力响应的计算列式。分析了非饱和土地基中土体饱和度、荷载频率、波阻板的埋深、厚度以及弹性模量对其隔振性能的影响规律。结果表明：非饱和土地基中设置波阻板能够取得很好的隔振效果。地表位移幅值随饱和度和波阻板埋深的减小而显著降低,随荷载频率、波阻板的厚度和弹性模量的增大而明显减小。     

土体阻尼对全(部分)埋入单桩基础自振特性的影响研究

自振频率和振型是反映结构动力特性的重要物理量,对结构设计和动力分析具有重要作用。基于回传射线矩阵法(MRRM),首先推导出全埋入单桩基础在桩顶自由、桩底分别为自由和固定条件下发生轴向自由振动时波数、振型和自振频率的解析解;而后研究部分埋入单桩基础横向和轴向自由振动时的自振特性,探讨了4种工况,工况1～3同时考虑土体弹簧和土体阻尼作用,工况4仅考虑土体阻尼作用,分析了土体阻尼对部分埋入单桩基础自振频率和振型、衰减系数的影响规律。结果表明:土体阻尼对低阶自振频率和振型的影响较大,在结构的低频振动分析中不可忽略。     

饱和土中球形空腔稳态振动及其在基桩中的应用

利用Ｂｉｏｔ饱和土波动理论求解了饱和土中球形空腔内部受周期性动荷载作用下的动力响应，并分析了球形空腔表面排水条件和振动频率对位移和孔隙水压力的影响。利用上述结果分析了桩在稳态振动下桩端的刚度和阻尼。