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。     

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。     

考虑土体竖向波动效应的静钻根植竹节桩纵向振动阻抗研究

 针对静钻根植竹节桩这一新桩型特殊的桩身结构及桩土接触条件,基于考虑土体竖向波动效应的三维轴对称模型研究其纵向振动阻抗。首先,采用虚土桩模型模拟桩底土对桩端的支承作用,根据桩周土的成层性和桩身竹节的分布情况,将桩土体系沿纵向划分成有限个微元段,同时,将桩周土沿径向划分为有限个圈层以考虑其径向非均质性;然后,利用Laplace变换和阻抗函数递推方法,得到桩顶频域响应解析解;在此基础上,将退化解与已有文献的解进行对比,证明退化解的合理性;最后,在桩基设计中比较关心的低频范围内分析桩身竹节、桩周水泥土及桩底土参数对静钻根植竹节桩桩顶纵向振动阻抗的影响。     

双向非均质土中基于连续介质模型的桩动力响应特性分析

在三维轴对称条件下,基于连续介质模型进行纵、径双向非均质土中桩的纵向动力特性研究。首先,根据桩周土体的纵向成层性和桩身截面性质,沿纵向划分多层,再对纵向每一层沿径向划分足够多圈层,每圈层视为均质土。然后建立每圈层土体的三维波动方程和每段桩身动力平衡方程,结合边界条件以及连续接触条件,从径向最外侧到最内侧、纵向最底层到最顶层依次进行桩-土耦合动力方程求解。最终利用阻抗递推法得到纵径双向非均质土中桩顶频域响应解析解和时域响应半解析解。通过所得解进一步研究各种纵径向非均质工况,得到相应的桩-土耦合振动特性。     

基于轴对称连续介质模型的径向非均质土中大直径管桩纵向振动特性研究

基于Rayleigh-Love杆模型和三维连续介质模型,综合考虑土体竖向波动效应和桩身横向惯性效应,建立三维轴对称径向非均质黏性阻尼土–大直径管桩纵向振动相互作用分析模型;通过采用拉普拉斯变换和复刚度传递法,递推得到桩芯、桩侧土体与管桩内外壁接触界面处的关系表达式,并基于桩-土完全耦合条件推导出大直径管桩桩顶动力阻抗解析解;进一步利用傅里叶逆变换和卷积定理,求解出大直径管桩桩顶时域响应半解析解,将所得解析解退化并与已有解答进行对比分析,以验证其合理性。在此基础上,通过进一步参数化分析,探讨桩身泊松比、桩身波速、桩侧土施工扰动效应对大直径管桩动力响应特性的影响规律。结果表明：(1)随着桩身泊松比的增大,桩顶速度导纳曲线振幅和共振频率均减小,且反射波曲线出现明显的振荡现象。(2)桩顶速度导纳曲线和桩底反射信号的幅值随桩身波速的增大而增大。(3)考虑桩身横向惯性效应时,施工扰动效应对桩顶动力响应的影响更为显著。(4)通过将推导所得解退化并与已有相关解答解进行对比分析,验证了其合理性和精度,可为桩基纵向振动分析和设计提供参考。     

考虑土体三维波动效应时黏性阻尼土中桩的纵向振动特性及其应用研究

从三维轴对称土体模型出发,考虑土体三维波动效应,对黏弹性支承桩在任意竖向激振力作用下与土体的耦合作用特性进行了研究。假定桩为竖直、弹性、等截面体,土为线性黏弹性体,其材料阻尼为黏性阻尼。利用拉普拉斯变换,将定解问题转换到拉普拉斯域内求解。通过引入势函数,将土体位移进行分解,从而将土体动力平衡方程进行解耦,求解得到土体的振动模态形式,再利用该解,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,得到拉普拉斯域内桩的位移函数解析解,进而可得到桩顶速度导纳函数解析解,采用卷积定理和傅里叶逆变换,求得了半正弦脉冲激振力作用下桩顶速度时域响应半解析解。基于所得解对速度导纳曲线和速度反射波曲线进行了量纲一的参数讨论,以揭示桩的纵向振动特性,为基桩动测提供理论和实践上的指导。     

静荷载作用下粘弹性地基单桩沉降的时间效应

利用广义Voigt模型来考虑桩侧土体的线弹性性质和粘性特性,研究了成层地基中静荷载作用下单桩沉降的时间效应。首先,根据桩侧土的成层情况,将桩土系统从下至上划分为有限层,对每层桩土系统建立静力平衡方程;然后,利用Laplace变换技术和阻抗函数递推方法求出了频域内桩顶位移响应的解析解,进一步利用Fourier变换技术和卷积定理求出了相应静荷载作用下考虑时间效应的单桩桩顶沉降半解析解;最后,采用参数研究方法,分析了桩土参数对单桩沉降性状的影响,并将工程桩的实测数据与本文计算结果进行了对比。结果表明:在工程桩受荷初期,本文得到的解能较好地计算出单桩沉降性状。     

任意段变截面桩纵向振动的半解析解及应用

建立了均质土中考虑桩端和桩侧土作用的有限长桩 ,在桩身存在任意段变截面时 ,桩顶受纵向激励情况下的定解问题 ,用拉氏变换 (Laplace)求得桩顶阻抗函数和速度频率响应函数 ,然后利用卷积定理和傅里叶 (Fourier)逆变换求得任意激振力作用下桩顶速度响应的半解析解 ,并对缩颈、扩颈等截面突变桩以及截面连续变化桩的振动特性作了进一步的研究。     

指数型变截面桩中的纵波

解析地研究了指数型变截面桩中的纵波。桩顶受到纵向冲击力作用,桩身为有限长均匀弹性圆杆,其半径按指数变化,桩周土剪切波速也按指数变化,并考虑桩土相互作用。由Laplace变换和逆变换,分别得到纵向振动的桩土系统的传递函数和脉冲响应。进一步得到桩顶纵向振动速度的频响函数、频域和时域表达式。研究了渐缩自由桩和渐扩自由桩的桩顶纵向振动速度时域曲线特征;研究了渐变截面桩的桩顶纵向振动速度时域曲线、振幅谱曲线和导纳曲线特征;结果表明:桩身截面的渐缩和渐扩都产生桩身反射波,这种桩身反射波是缓变化的,其大小与桩身截面渐变的程度正相关;桩身截面的渐变主要影响频域曲线的几个低阶共振峰。由参数研究及推出的理论公式揭示,桩中纵波的衰减取决于桩周顶部土剪切波速与桩身纵波波速比、桩长与桩顶直径比、桩周土密度与桩身密度比。     

考虑横向惯性效应时非均质土中大直径桩纵向振动特性及其应用

 基于Rayleigh-Love杆模型,研究考虑横向惯性效应时非均质土中大直径桩纵向振动特性。首先,采用虚土桩模型模拟桩底土对桩的支承作用,通过径向圈层间的剪切复刚度传递,考虑施工扰动造成的桩周土的径向非均质性;然后,将桩与虚土桩假设为Rayleigh-Love杆,建立其纵向振动控制方程,通过Laplace变换和阻抗函数递推方法,得到桩顶频域响应解析解,并通过Fourier逆变换得到桩顶时域响应半解析解;在此基础上,通过参数分析的方法,研究横向惯性效应对大直径桩纵向振动特性的影响以及与桩–土参数之间的关系;最后,将理论计算结果与现场实测曲线进行对比,验证了本文解的合理性。     

饱和土中大直径缺陷桩水平振动响应研究

为了研究成层饱和土中存在缺陷的大直径灌注桩的水平振动响应问题,基于Boit理论和严格的平面应变假设建立缺陷桩-饱和土横向耦合振动简化模型。引入势函数并利用算子分解法、分离变量法得到桩周饱和土对桩的水平作用力,再利用桩土接触面耦合条件及刚度矩阵传递法得到桩顶复阻抗;最后,通过模型对比与退化对比验证本文解的合理性。研究结果表明:(1)扩径对提高桩顶复阻抗起到的作用相对较小,但是缩径的出现将明显降低桩顶复阻抗;(2)桩顶动刚度和动阻尼对桩身缺陷大小和长度的敏感度不同,动刚度较动阻尼更为敏感;(3)桩顶附近缩径缺陷会导致桩顶复阻抗显著降低,而桩中部和端部附近缩径缺陷对桩顶复阻抗的影响相对较小。     

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。     

考虑时效性的静压桩荷载–沉降关系预测方法

考虑天然饱和黏土地层的原位力学特性,采用圆孔扩张模型考虑沉桩效应,结合太沙基一维径向固结理论推导了桩周土再固结过程中土体强度和剪切模量的解析解。在此基础上,根据桩基加载过程中桩侧土体的剪切变形特性,采用指数函数型荷载传递曲线分别建立了静压桩的桩侧和桩端荷载传递模型,提出了考虑时效性的静压桩荷载–沉降关系理论预测方法。通过现场试验对本文解答进行验证,研究了沉桩结束后静压桩荷载–沉降特性随时间的变化规律,分析了静压桩沉桩后不同历时的荷载传递特性。研究结果表明,沉桩结束后静压桩承载特性的变化主要是由于桩侧承载特性的提高;特定休止期后的静载试验结果与静压桩真实承载特性存在一定差异。因此,实际工程中应根据桩周土体力学特性的改变结合静载试验合理确定静压桩的承载特性。     

由单桩载荷试验推算群桩沉降的相互作用系数法

传统的相互作用系数法只能计算群桩的弹性沉降,且所得相互作用系数也明显偏大。采用三维数值方法拟合单桩荷载–沉降曲线,通过弹性及弹塑性分析确定土的弹性参数和桩–土弹塑性接触面参数;由此建立双桩模型,计算分析了桩顶荷载水平、桩距径比、桩端土–桩周土模量比、桩–土模量比、桩长径比、桩–桩之间存在第三桩等因素对相互作用系数的影响,并利用多项式回归拟合;根据数值分析及实测结果,提出了在相互作用系数法中利用单桩载荷曲线分析群桩线弹性和非线性沉降的方法,将相互作用系数法扩展至群桩沉降的非线性计算上。算例分析表明:计算结果与实测值吻合较好;较常规的数值模拟,节省了大量的运算机时,可用于大规模的较大桩距桩筏基础的分析计算。     

层状地基中单桩的扭转变形分析

研究了扭矩作用下单桩的扭转变形。采用积分变换和传递矩阵方法求解成层土在内部环形荷载作用下的基本解;利用此基本解并考虑桩土位移协调条件,提出了层状地基中单桩扭转变形的半解析方法;通过一匀质地基算例验证了该理论方法的正确性,并给出了双层地基模型的数值分析结果。     

层状地基中群桩的水平振动特性

采用动力Winkler地基模型模拟桩土之间的动力相互作用,并运用传递矩阵法考虑地基土的分层特性,提出了计算层状地基中单桩和群桩动力阻抗函数的一种简化方法。在计算动力相互作用因子时考虑了“被动桩”与周围土体之间的相互作用。最后将相互作用因子和群桩阻抗的本文解与精确解进行了对比,同时与有关现场试验结果作了比较,验证了本文方法的有效性。     

基于数学规划算法的单桩沉降计算分析研究

基于荷载传递法的土弹簧模型,提出了新假设,并建立了用于单桩沉降计算的数学规划模型。该数学模型以离散的最小势能方程为目标函数,桩顶荷载为约束条件,拟解决如何对各土弹簧进行荷载分配使整个系统势能最小的数学问题。不同于传统的土弹簧模型,论文提出的模型假设某一桩单元沉降值为该桩单元顶部平面沉降与底部平面沉降的平均值。通过算例验证,文章推出的计算方法可行有效,计算得出的 Q – s 曲线、轴力分布与实测数据吻合较好,并对比发现在桩单元较少的情况下,通过该数学规划模型求解单桩沉降可以达到比位移协调法更高的精度。