多排弹性空心管桩屏障对平面SV波的隔离

假定土体和管桩为各向同性的均质弹性体，将多排空心管桩构成的非连续屏障对入射平面SV波的隔离问题简化成二维平面问题，运用复变函数的保角映射方法和波场位移势函数展开法，根据管桩与周围土体介质完全联结(即应力和位移连续)以及管桩内侧自由的边界条件，得到了所研究问题的理论解。通过与有限元软件ABAQUS的模拟结果进行对比，验证了上述理论解及其计算程序的正确性，并进一步分析了管桩的壁厚、排数、数量以及入射SV波的频率等因素对隔离效果的影响，结论表明：隔离效果随着管桩壁厚的减小而提高；管桩由一排增加到两排时，最佳隔离区域向远处扩展，而由两排增加到三排时，最佳隔离区域则向两侧扩展；管桩排数不变，而数量增多时，屏障宽度范围内的隔离效果明显提高；入射频率增大时，隔离效果有所减小。这为多排桩屏障的隔振设计提供了理论依据和参考。     

多排桩非连续屏障对平面弹性波的隔离

假定桩体的长度远大于直径,将多排弹性桩组成的非连续屏障对平面弹性波(P波和S波)的隔离简化成弹性波多重散射的二维平面问题,运用复变函数的保角映射方法和波场势函数展开法,根据桩体与周围土体介质完全联结(即应力和位移连续)的边界条件,得到散射和折射波场势函数展开式的待定复系数的理论解;通过分析位移比值(屏障后土体内某点由入射波和散射波产生的总位移与入射波单独产生的位移之比)的变化规律,对比单排、双排和3排桩屏障的隔离效果。研究结果表明:(1)当屏障的整体宽度和每排的桩数相同时,多排桩屏障对P波、SH波和SV波的隔离效果都随着桩排数的增多而提高;(2)当屏障整体宽度和桩总数相同时,紧密布置的单排桩对P波、SH波和SV波的隔离效果都比交错布置的双排桩更有效;(3)多排桩屏障对SH波和SV波的隔离效果比P波要好。     

空沟对SH波隔离效果的理论解答

借助复变函数的保角映射方法将有限长度的空沟映射变换为单位圆,根据空沟四周完全自由的边界条件,运用波动函数展开法得到了空沟对SH波隔离的理论解答。引入位移比值(屏障后某点由入射和散射弹性波产生的总位移与入射弹性波单独产生的位移之比),计算了沟宽0.4 m、沟长分别为3.0 m、4.0 m、5.0 m和6.0 m共4条空沟的位移比值,通过比较发现:随着空沟长度的增加(由3.0 m增加到5.0 m),最佳隔振效果明显提高,区域明显增大;当空沟长度超过一定值(5.0 m)后,最佳隔振效果基本不变,而有效隔振区域由中间向两侧扩展。最后对比了空沟和单排空心管桩的隔振效果,结果表明:空沟的最佳隔振效果高于单排空心管桩,空沟的最佳隔振区域在屏障后靠近屏障的一定区域内,而单排空心管桩的最佳隔振区域在屏障后远离屏障的一定区域内。     

PHC管桩打桩过程中的动力响应分析

为研究预应力管桩在打桩过程中的动力响应问题,结合应力波反射法基本原理,说明了应力波在不同类型基桩中的传播特性;再以预应力管桩施工工程为依托,对打桩过程中产生的冲击荷载进行简化,建立预应力管桩打桩数值模型,分析了2种特殊情况下桩基的竖向应力和变形。分析结果表明:当桩端固定时,固定端的竖向位移为0,而竖向应力幅值增加;当桩端自由时,自由端位移变化不大,而由于入射压力波与反射拉力波相互抵消,使得桩端竖向应力始终为0,而桩身竖向应力减小。数值模拟的结果与理论分析相吻合,同时也验证了建立数值模拟的合理性。通过对打桩过程中桩身的动力响应分析,不仅为管桩的设计和施工参数的选取提供了参考依据,而且对提高桩基声波检测的准确性具有重要意义。     

周期分布群桩屏障对平面弹性波隔振效应的解析求解

基于平面波入射下周期分布散射体周围波场的周期分布特性,创造性地提出一种求解无限周期分布群桩屏障对弹性波隔振效应的解析方法。方法首先推导适用于任意坐标系间波函数转换的Graf加法定理,进而采用波函数展开法,充分利用不同周期单元周围的波场完全相同但仅因位置的不同而在频域内相差一个相位的特征,仅需选取一个周期单元分析即可求解整个群桩屏障的散射波场。该解析方法弥补了以往理论分析中桩数较多时难以求解的不足,同时具有精度高、计算量低和显著降低求解时间的优点,便于分析桩体数量较多的群桩屏障隔振规律。重点讨论桩排数、桩体间距和群桩排列方式等因素对隔振效果的影响,结果表明:(1)群桩屏障对SH波的隔离效果主要体现在归一化频率0.2～1.2的较低频段,对SV波的隔离效果主要体现在0.6～1.8的中等频段,对P波的隔离效果主要体现在1.2～1.5和2.2～2.8左右的中等和较高频段;(2)桩排数的增加对SH波隔离效果的提高随每排桩的增加能够提高至50%,对SV波隔离效果的提高随每排桩的增加能够提高至33%,而对P波隔离效果的提高随每排桩的增加提高不超过10%;(3)减小桩体间距有助于提高群桩屏障的隔振效果,但减小排间距的影响较小,而减小列间距则提升明显;(4)整体上梅花形排列的隔振效果优于矩形排列,仅在入射波频率η=0.7～1.8的一个小频段内矩形排列优于梅花形排列。     

平面波入射下深水地基场地动力响应分析

建立了深水地基场地分析模型,基于单相弹性介质、Biot流体饱和多孔介质和理想流体弹性波动理论,分别推导了平面P波或SV波入射时该深水地基场地波动问题的解析解,并得到水下地层表面位移的表达式,分析了土的刚度、饱和度及入射角等因素变化时水深对场地位移响应的影响。结果表明:水深对水平位移峰值的影响较小,而共振频率随着水深的增加而增大;竖向位移峰值和共振频率并不随水深的增加而单调增加;同一水深下,饱和土层的刚度越小,水平及竖向位移峰值越大,共振频率越小;与完全饱和相比,土层饱和度的微小变化会使竖向位移峰值显著增大,共振频率减小,但水平位移峰值和共振频率基本上不受饱和度的影响;在基本频率下,当P波作用时,水深对水平位移的影响随着入射角增加先增加后减小,有水时在不同入射角下水深对竖向位移的影响较小;当SV波入射和有水条件下,对于不同的入射角水平位移均随着水深的增加而减小,在入射角35°到45°范围内竖向位移随着水深的增加而减小,除此范围外水深对竖向位移的影响较小。     

隔离桩对干砂地基中基坑侧方隧道影响的模型试验研究

为研究基坑开挖过程中隔离桩对基坑侧方近接隧道整体位移和自身变形的控制机制,在干砂地基中开展室内1g模型试验。设计了无隔离桩、有埋深隔离桩和无埋深隔离桩共3组试验,对基坑分步开挖过程中的围护结构水平位移、隧道位移和隧道环向弯矩进行监测,研究有无隔离桩及桩顶埋深对围护结构水平位移、隧道位移和隧道环向弯矩的影响规律。研究结果表明:对于无隔离桩工况,隧道水平位移、竖向位移和环向弯矩均随坑深隧深比(基坑深度/隧顶埋深)的增加呈不断增大趋势;相对于无隔离桩工况,有埋深隔离桩工况对围护结构水平位移、隧道水平位移、隧道竖向位移、隧道环向正弯矩和隧道环向负弯矩的控制效果较明显;相对于无隔离桩工况,无埋深隔离桩工况对围护结构水平位移、隧道环向正弯矩和隧道环向负弯矩起到了控制作用,但是隧道水平位移和竖向位移的最大值反而分别增大了32.0%和123.8%;隧道保护效果受到隔离桩阻隔作用和牵引作用的共同影响。     

考虑竖向荷载影响的大直径管桩水平振动响应解析解

建立了黏弹性地基中受轴力作用的现浇大直径管桩水平振动响应计算模型,通过引入势函数对土体振动方程进行解耦,结合桩土耦合条件求得了桩顶复阻抗解析表达式。将该解退化到不考虑竖向荷载的水平振动响应解与已有理论解对比,验证了该解的合理性。通过算例分析,研究了竖向荷载、激振频率和桩长对管桩桩顶水平复阻抗、桩身位移和内力的影响,研究结果表明:复阻抗实部和虚部在桩土系统固有频率处均发生共振;竖向荷载使管桩位移和内力发生重分布,竖向荷载为零时,位移、弯矩和剪力最大值均出现于管桩中上部,随着竖向荷载增大,其最大值均出现于桩底;桩身水平位移随频率变化而变化,管桩中下部转角、弯矩和剪力受频率影响较大;桩身中下部位移和内力受桩长影响大于桩身其他部分;无桩芯土时桩顶水平位移和转角比桩芯土存在时大。     

饱和半空间中隧道衬砌对平面SV波的散射IBIEM求解

基于Biot两相介质理论,采用一种高精度的间接边界积分方程法(IBIEM),研究了平面SV波在饱和半空间中隧道衬砌周围散射的基本规律,并给出了不同参数下地表位移幅值、衬砌动应力集中因子及表面孔隙水压分布图和相应的频谱结果。数值分析表明:饱和半空间隧道衬砌对SV波的散射特征取决于围岩介质孔隙率、入射波的频率和角度、隧道埋深等因素;隧道外壁透水状态对地表位移和隧道应力影响不大;不同角度SV波入射下,隧道应力集中部位有很大差别,且随半空间介质孔隙率增大,应力集中越发显著;衬砌外壁孔隙水压峰值可达到入射波应力幅值的4倍,且30°斜入射下幅值明显大于0°垂直入射情况;衬砌上方附近不同点位位移频谱特征差异显著,斜入射情况位移放大效应明显;随埋深增大,地表位移幅值和衬砌表面动应力谱振荡更为剧烈,但幅值会有所降低。另外,按波速比等效的单相介质模型可以近似计算SV波入射下隧道–饱和围岩的位移场和应力场。     

基于快速多极边界元法的局部场地对地震波高频散射二维模拟

结合快速多极子展开技术与间接边界元法,发展一种新的高频地震波散射(二维平面内)快速模拟方法。精度和效率检验表明该方法具有很高的计算精度、求解效率及良好的数值稳定性,同时可大幅度降低计算存储量。进而以半空间峡谷与凸起地形对平面SV波的高频散射为例,讨论了峡谷及凸起周围地震波宽频散射基本特征,给出了千米尺度局部场地、0~25 Hz频带宽度的散射模拟结果。分析表明:高频SV波垂直入射下,峡谷角部水平和竖向位移均表现出明显的放大效应,而峡谷底部的散射效应较弱;半圆凸起顶部附近水平位移谱峰值高达5.0,山脚处位移反应则受到明显的抑制作用;斜入射情况,峡谷地形迎波面一侧位移幅值较大,而凸起地形则是背波面一侧放大显著。数值结果可为复杂局部场地中大型工程抗震设计提供部分理论依据。     

铁路振动作用下双排桩屏障隔振性能试验研究

为研究铁路应用双排桩屏障的隔振性能,基于铁路振动产生的弹性波传播特性,通过场地试验测得激振频率10Hz下地表振动加速度幅值,以双排隔振桩屏障中归一化桩间距、归一化排间距、排桩数量以及排桩布置形式为变化参数,研究改变双排桩几何参数对其隔振效果的影响。试验结果表明：随桩间距的增大,排桩屏障的隔振效果逐渐减弱。当归一化桩间距不小于3.0时,排桩屏障逐渐失去其整体隔振作用;当归一化排间距为3.0时,排桩屏障可以获得较优的隔振效果,其有效隔振面积百分比在19.52%~68.89%;随着排桩数量的增加屏障有效隔振面积随之增大,排桩数量由8增至10时,有效隔振面积百分比增大0.87%~4.74%,可以使更大区域范围达到隔振要求;当屏障整体桩数相同时,采取菱形布置形式的隔振屏障比矩形的隔振效果好,菱形布置较矩形布置有效隔振面积百分比增加1.20%~5.01%。     

多排桩屏障远场被动隔振分析

视桩为弹性半空间中的异质体，以瑞利波散射的积分方程为基础，首次对多排桩屏障的远场被动隔振效果进行了三维分析。详细讨论了影响隔振效果的几个主要参数，指出非连续排桩屏障隔振起到的是整体屏蔽作用。研究表明，影响多排桩屏障体系隔振效果的厚度主要取决于桩的排数，与桩的截面尺寸关系不大；密布小截面多排桩隔振效果与空沟和填充沟相当；桩的排距对隔振效果影响小；每一排桩的桩间净距是影响隔振效果的重要参量，为了获得满意的隔振效果，应控制相邻桩的桩间距足够小。最后，通过工程实例验证了多排桩的隔振效果。     

圆弧形沉积谷地对平面SV波三维散射解析解

采用大圆弧面来模拟半空间表面,利用波函数展开法和有限项Fourier展开技术,在频域内给出了圆弧形沉积谷地对平面SV波三维散射的一个解析解。并以此解答为基础,进一步分析了入射波频率和入射角度对圆弧形沉积谷地场地反应的影响。研究表明,圆弧形沉积谷地对平面波的三维散射比二维散射更加复杂;将三维散射问题分解为两个主平面入射的简化处理存在较大的误差;入射波的频率和入射角度对圆弧形沉积谷地场地反应均有重要影响。     

排桩隔振的理论与应用

本文首次提出了地面连续和非连续屏障隔振的概念。指出非连续排桩屏障的散射效应决定隔振效果；而屏障的衍射效应决定其影响范围；同时对柔性屏障应避免其与人射波的“吻合效应”。通过理论与试验分析．证明圆形截面排极有较好的隔振效果。在工程上，突破了Woods等提出的桩径必须大于被屏蔽的波长的1／6结论（对于主要的地面波，桩径约需3～5m，这意味着在工程中无法实现），其屏蔽效果的主要影响因素是地基土的波长、屏障的深度和长度等。根据波的衍射理论和实测研究，在近场（主动隔振）屏障和远扬（被动隔振）屏障的设计深度方面，得出了与已有理论不同的结论。对屏障的面积率与波依的关系亦提出了定量计算公式，并应用于地面隔振工程设计。     

多排现浇薄壁管桩(PCC桩)屏障隔振性能研究

首次提出将多排现浇薄壁管桩用于屏障隔振。现浇薄壁管桩(简称PCC桩)是一种新型的地基处理技术,目前对于其作为非连续屏障隔振的研究还是空白。本文采用三维有限元方法,研究了屏障排数对PCC隔振性能的影响。结果显示,多排PCC桩作为整体隔振屏障系统是有效的。随着桩排数的增加,屏蔽区的振幅会显著减小,但对屏蔽区的面积影响不大。此外排数的增加,屏蔽区外会出现一个振幅放大区域;排数越多,放大区的范围越大。取三排桩屏障时,整体隔振效果较好。和同直径的实心桩相比,PCC桩能达到相同的隔振效果,并且很经济。     

平面波作用下饱和地基表面刚性圆形基础的竖向振动分析

 基于Biot波动方程,研究饱和地基表面刚性圆形基础在入射P1及SV波激励下的动力响应问题。为考虑地基与基础的相互作用以及基础对入射波的散射,引入辐射波场及刚体散射波场。将饱和地基视为Biot波动方程描述的饱和半空间,并假设土与基础紧密接触且接触面完全透水。运用Hankel积分变换求解土体控制方程,并结合地基与基础接触面的混合边值条件及基础的动力平衡方程,得到入射波作用下基础竖向振动振幅的表达式。最终通过数值算例分析入射波频率、入射角度、基础质量以及饱和土体渗透性等对基础竖向振动的影响。研究结果表明,当基础分别受P1及SV波作用时,两者之间的竖向振动特性有较大差异。