桩–土–斜拉桥动力相互作用体系振动反应特性试验研究

大跨斜拉桥结构自振频率和阻尼较低,其地震响应可能受桩基础和场地土特性的影响较大,然而目前为止,由于试验条件和技术所限,尚缺乏相关的包括桩基础、场地土和上部结构在内的全模型振动台试验研究。以一座试设计的主跨1400 m超大跨斜拉桥为原型,设计并完成了一座几何相似比为1/70,且包括群桩、人工土和上部结构在内的试验模型,采用多点振动台试验技术,研究了不同加速度峰值和不同频率成分地震作用下桩–土–斜拉桥动力相互作用体系的振动反应特性。试验结果表明:桩–土–结构相互作用对斜拉桥地震响应产生影响,其影响程度与地震输入频谱特性密切相关;在纵向一致激励下,桩–土–结构相互作用受地震动加速度峰值的影响不明显,在横向一致激励下,桩–土–结构相互作用随地震动加速度峰值的增大而减小;主塔高阶振型对其地震响应的贡献明显;地震输入频谱特性影响桩–土–斜拉桥动力相互作用体系的地震响应,特别是在具有丰富长周期成分的Mexico City波作用下主梁竖向地震响应显著增大。     

基于 p – y 曲线法的超长桩非线性数值分析

引入横向等效载荷概念 ,根据弹性力学变分原理,推导出了具有对称形式的杆单元 P – Δ 效应刚度修正矩阵。同时结合 p – y 曲线法, 从 Newmark 弹簧支座的概念出发,考虑横向 抗力分布 的影响,提出了与有限杆单元法相适应的非线性弹簧设置方法。 结合以上改进,建立了 相应的倾斜荷载 桩非线性有限杆单元 分析模型 。基于该模型编制了有限元程序,对具体工程实例进行了计算,并将计算结果与工程实测数据,以往方法的计算成果和通用有限元软件的模拟结果进行了对比分析,验证了模型的正确性和可行性 ,同时利用该方法计算分析了 P – Δ 效应的影响程度。     

黏性土中单桩贯入桩–土界面超孔压和土压测试现场试验

黏性土地基中静压桩沉桩过程桩–土界面受力变化是岩土工程中常见的问题。在东营某工地黏性土地基中进行了足尺静压桩的贯入试验,重点监测了桩身不同h/L位置处桩–土界面超孔隙水压力和土压力随入土深度的变化规律,并分析了桩身不同h/L位置处桩–土界面超孔隙水压力与上覆土体有效压力的关系,在同一入土深度桩–土界面土压力的变化特性,重点研究了影响桩–土界面有效土压力分布的原因。测试结果表明:沉桩引起的桩身不同h/L位置处桩–土界面超孔隙水压力与上覆土体有效压力比值最大是1.08,且该比值沿桩身向上逐渐减小;同一入土深度桩身不同h/L位置处桩–土界面土压力存在"侧压力退化"现象,且随着h/L的增加,该退化现象会越发明显,h/L=11/12位置处桩–土界面土压力仅约为10 kPa;除h/L=11/12位置处,桩身其它不同h/L位置处桩–土界面有效土压力是桩–土界面超孔隙水压力的1.88～2.20倍。研究成果对黏性土地基中静压桩施工和承载力确定具有一定的工程指导意义。     

海洋高桩基础水平单调及循环加载现场试验

开展了海洋软黏土中 2 根大直径高桩基础的现场水平单调和循环加载试验,实测获得了桩顶荷载 – 位移关系、桩身变形和桩身弯矩及桩侧土压力和孔隙水压力,揭示了水平单调和循环荷载作用下桩土相互作用规律及桩基水平位移和桩身弯矩发展规律。利用实测桩身水平位移推算了桩周土反力,在此基础上提出了相应的双曲线型 p – y 曲线,通过引进 Poulos 循环弱化模型建立了水平循环荷载作用下的桩基双曲线型 p – y 曲线分析模型,水平单调及循环荷载作用下桩顶荷载 – 位移关系、桩身变形和桩身弯矩及桩侧土压力等计算结果与实测值均吻合良好。通过现场试验发现规范 p – y 曲线法计算结果偏保守的主要原因是所采用的 p – y 曲线的刚度偏小;不同时段的循环荷载对桩基循环累积变形有叠加效应。 建议设计中应考虑桩基全寿命服役期内所承受的所有循环荷载的影响, 对于重要工程应开展相应的现场水平加载试验,实测桩身水平位移或桩身弯矩,进而利用所推算的桩周土反力来分析桩基受力变形及承载力。     

整体桥预应力桩-土相互作用试验

为探究整体式桥台无缝桥(简称整体桥)预应力混凝土桩吸纳上部结构变形的能力,对3根不同预应力的缩尺模型桩PC-1～PC-3进行了拟静力试验。利用布设于桩身表面的土压力计、位移计、应变片等,研究了预应力混凝土桩的破坏模式和变形规律,并与埋深不同且未施加预应力的混凝土桩对比,进一步说明预应力对柔性桩变形能力的影响; 通过与普通混凝土桩的对比,以临界荷载、屈服荷载、峰值荷载为评价指标,分析了预应力对试验桩强度和变形的影响。结果表明:随着预应力度的增大,模型桩的破坏形态由多条裂缝向1条主要裂缝转变; PC-2和PC-3主要裂缝出现位置分别较PC-1沿埋深方向增大0.4倍和0.6倍桩径,说明预应力度的提高增大了桩-土相互作用区域,且效果较增大桩基埋深更为显著; 随着位移荷载的增加,PC-1的桩身拉、压应变分布率先出现不对称,而PC-2和PC-3在更大位移荷载时仍保持对称,通过与不同埋深未施加预应力的混凝土桩对比发现,相较于增大桩基埋深,施加预应力可以更为显著地提高桩基的弹性工作范围及桩身的整体性和抗开裂能力; 通过分析比较模型桩的桩身承载比可知,提高预应力度可改善桩身受力性能,并可更充分发挥桩周土的承载能力; PC-2,PC-3的正向临界荷载、屈服荷载以及峰值荷载相较于PC-1均有提高,屈服荷载分别较PC-1提高了17.8%和42.3%,说明预应力度可以增大混凝土桩的弹性工作范围,提高变形能力; PC-1的等效刚度退化速率较PC-2,PC-3更快,说明施加预应力可减缓混凝土桩的刚度退化; 与PHC管桩等效刚度理论计算值对比发现,PHC管桩理论计算值偏安全,可应用于PC桩的等效刚度计算。     

土–上部结构相互作用的实用分析模型研究

 讨论现有土–上部结构相互作用分析模型的优缺点,从工程应用的实际需要出发,建立土–上部结构相互作用的实用分析模型及分析方法：采用三维弹塑性杆系模型模拟上部结构,在基础底面放置水平、竖向及转动的弹簧和阻尼单元来模拟土与基础的接触作用,通过弹簧和阻尼参数的改变来模拟不同的场地等状况。用该种方法计算分析一个10层的独立基础钢筋混凝土框架结构,研究场地土剪切波速、上部结构刚度和地震动强度等因素对相互作用体系地震反应的影响,同时探讨各种情况下的结构地震能量反应规律。研究结果表明,对于独立基础钢筋混凝土框架结构来说,考虑相互作用后场地变软和上部结构刚度增大不一定使楼层顶层位移增大,但是软弱场地对结构起到一定的减震作用,并且增大上部结构刚度会使楼层剪力和弯矩有所增加;地震动作用下,上部结构刚度改变对能量的变化趋势影响很小,但是在不同影响因素下的结构阻尼耗能和结构变形能在体系能量的平衡中的作用都是主要的;改变地震强度时,不同的地震波对相互作用体系的能量的影响是不同的,阻尼耗能和结构变形耗能的作用会有所不同。     

破坏和非破坏后注浆抗压桩受力性状现场试验研究

通过桩身埋设有钢筋应力计的 2 根直径不同的破坏性和非破坏性后注浆抗压试桩现场静载试验,对比分析了破坏性和非破坏性后注浆抗压试桩的受力性状。现场试验表明,极限荷载下非破坏性和破坏性后注浆桩的桩端力荷载分担比约为 40% 且同一桩顶荷载水平下,桩端荷载分担比随桩径的增大而减小。最大试验荷载下非破坏性试桩浅层土侧阻力完全发挥并有侧阻软化趋势,而破坏性试桩全桩长范围桩侧阻力均表现为软化性状。实测发现不同土中桩侧摩阻力充分发挥时对应的桩顶沉降约为（ 1% ～ 4% ） D （ D 为桩径）。非破坏性试桩实测得到的桩端位移–桩端力曲线表现为硬化特性,而试桩破坏性试验中实测得到的桩端位移–桩端力曲线表现为软化特性。     

水平振动荷载作用下支盘桩模型试验研究

基于自行设计的桩-土动力相互作用模型试验装置,对2根承力盘位置不同的模型支盘桩施加强烈水平振动荷载,采用数字式变频仪控制荷载频率,通过不同弹簧的刚度系数实现不同大小的荷载级别,分析不同激振频率和激振荷载作用下桩身弯矩变化趋势及桩侧土压力变化状况。试验表明:随着激振频率的增大,支盘桩的动力响应在整体上有减小的趋势且水平动承载力有所提高;随着激振荷载的增大,支盘桩的动力响应随深度增加逐渐减小,反弯点位置逐渐下移,桩身的最大动弯矩发生在距桩顶1/3左右深度处。承力盘的设置改变了桩身的变形和受力状态,能够提高桩身平衡弯矩的能力,是对桩基的结构优化设计,且承力盘设置在桩身靠上有利于水平动承载力的提高。     

冻、融土中桩的水平受力特性模型对比试验研究

通过模型试验,对不同温度条件(室温条件(20℃)、冻结条件(-10℃)、融土条件)下的饱和砂土分别进行桩头位移-水平荷载关系、桩身弯矩和挠度分布规律以及土体的刚度变化等桩-土相互作用等的研究。此外引入工程中常用的m法进行对比验证,探讨m法的适用条件。研究发现:室温土中桩在小荷载作用下产生明显的桩头侧移和挠曲变形,桩身弯矩呈现自上而下先大后小的分布规律;冻土中形成的大量冰胶结物使土体刚度得到极大提高,大荷载难以使桩基发生大的变形和侧移,桩身最大弯矩埋深显著减小;上层融土降低了桩头位置土的刚度,使得桩显示出室温土与冻土的双重性质,桩身弯矩最大值较室温土、冻土条件下更大,其埋深较冻土中大;在多年冻土区进行桩基施工应当重视冻土层的保护;m法在常温土中具备很好的安全性和适用性,但在冻、融环境下应用时差异较大。     

桩土界面荷载传递双曲线模型的改进及其应用

 首先,在总结前人土–结构相互作用试验研究成果的基础上,改进反应桩土界面荷载传递性状的双曲线模型,改进后的模型能够描述随着地基土固结、桩侧土初始剪切刚度随时间增长以及桩土界面的分阶段加/卸载循环剪切特性。然后,利用改进模型对文献中的算例进行分析,计算结果与文献结果比较接近,验证了改进模型的合理性。最后,利用该模型分析大面积荷载下,在桩顶作用大小不同的竖向荷载以及桩侧土达到不同固结度时再打桩情况下,桩身摩阻力、中性点位置及桩承载力的发展变化规律。研究结果表明,桩身中性点位置、桩身负摩阻力随地基土的固结逐渐变化;在地基土固结过程中,桩承载力逐渐减小。该研究成果可为桩基工程设计提供有益的参考。     

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。     

嵌岩特性对嵌岩桩桩顶扭转振动阻抗的影响

考虑桩身截面和桩侧土性质的变化,建立了层状土中嵌岩桩的扭转振动计算模型和控制方程; 利用Laplace变换技术和阻抗递推技术,求得任意荷载作用下嵌岩桩桩顶扭转振动复阻抗,并通过与现有解对比验证了所得解析解的合理性。基于所得解析解,在桩基础动力设计关注的低频范围内讨论了嵌岩桩几何性质、桩底沉渣、岩体性质对桩顶扭转振动复阻抗的影响。结果表明:在扭转振动条件下,嵌岩桩存在一个临界嵌岩深度,临界嵌岩深度随着桩长径比的增大和嵌岩段岩体性质的提高而降低,这说明在工程设计时,并非嵌岩深度越深对整个桩土系统承载特性越有利; 临界嵌岩深度范围内,随着嵌岩深度的增加,桩顶扭转动刚度逐渐减小,动阻尼逐渐增大,超出此范围时,嵌岩深度对桩顶扭转振动阻抗基本上没有影响; 当嵌岩深度小于临界深度时,桩底沉渣的存在会使桩顶扭转动刚度降低,动阻尼增大; 当嵌岩深度超过临界深度时,桩底沉渣对桩顶扭转振动阻抗基本上没有影响; 桩径是影响桩顶扭转振动阻抗的主要因素。     

非饱和土半空间中单桩竖向振动特性研究

从三维轴对称的非饱和土波动方程出发,考虑土中基质吸力对剪切模量的影响,对端承桩在纵向简谐荷载作用下桩土耦合振动特性进行了研究。利用算子分解和分离变量法直接对耦合方程进行解耦,在求得非饱和土层振动模态形式和阻抗因子的基础上,结合桩土界面处的衔接条件以及桩端刚性支承形式,对桩的一维波动方程进行求解,得到了桩顶复刚度函数、土层阻抗因子的频域形式解答,并讨论了主要参数对桩基动力行为的影响。计算结果表明：随着饱和度的减小,桩顶动刚度因子和等效阻尼的振幅随之减小,但桩土体系的共振频率则基本不受其影响。在桩土模量比的分析中,应区别对待土和桩弹性模量引起的不同反应。模型揭示了土体动力响应从单相到饱和两相介质条件下的完整演化过程,为描述实际土体环境下桩基动力行为提供了较为完备的理论框架。     

低应变条件下桩土相互作用的阻尼系数

低应变条件下桩土相互作用的阻尼系数是基桩缺陷量化分析的一个关键参数。为通过试验直接确定桩土相互作用的阻尼系数,建立桩土相互作用的定解方程,分析两端自由的摩擦桩在不同阻尼系数时的桩顶速度波时程变化,推导桩顶速度响应幅值比与阻尼系数之间的关系。在此基础上,选用6种桩侧土,针对土层饱和前、后两种状态,进行不同上覆有效应力作用下土层与桩相互作用的模型试验,确定桩侧土阻尼系数,研究阻尼系数随土性、土层上覆有效应力的变化。试验结果表明,6种桩侧土阻尼系数均随土层上覆有效应力增加而呈指数关系增加,不同土类指数关系中的系数不同;与饱和前的砂土与粉土阻尼系数相比,相同土层上覆有效应力下饱和后砂土与粉土的阻尼系数降低25%～60%;当土层上覆有效应力从85 kPa增加到850 kPa时,饱和粉质黏土的阻尼系数从250 s-1增加至890 s-1;当土层上覆有效应力从20 kPa增加到150 kPa时,饱和软黏土的阻尼系数从330 s-1增加至420 s-1。最后,将试验得到的阻尼系数与其他方法确定的阻尼系数进行比较,进一步说明通过试验测定桩土相互作用阻尼系数的必要性。     

考虑横向惯性效应时楔形桩纵向振动阻抗研究

 基于Rayleigh-Love杆模型,研究考虑横向惯性效应时成层土中楔形桩的纵向振动问题。首先,根据桩周土的成层性并考虑楔形桩的变截面特性,将桩土系统沿纵向划分为有限个微元段。然后,运用Laplace变换技术和阻抗函数递推方法,在平面应变条件下推导得到成层土中楔形桩纵向振动时桩顶复阻抗的解析解。最后,采用参数研究方法,在低频范围内分析楔形桩设计参数对桩顶复阻抗的影响,并将同体积时的楔形桩与均匀截面桩的桩顶复阻抗进行对比。结果表明：(1) 楔形桩其他设计参数不变时,动阻尼随着楔角的增大而增大,动刚度也随着楔角的增大而增大,但增大的幅度会随着频率的增大而逐渐减小;(2) 楔形桩其他设计参数不变时,动刚度随着桩长的增大而减小,动阻尼随着桩长的增大而增大;(3) 对等体积的楔形桩与均匀截面桩,当桩长相同时,楔角越大,动刚度越小,动阻尼越大;当桩端截面积相同时,楔角越大,动刚度越大,动阻尼先增大再减小。     

考虑竖向波动效应的径向非均质黏性阻尼土中管桩纵向振动响应研究

基于黏性阻尼土体三维轴对称模型,考虑桩周土体竖向波动效应和施工扰动引起的径向非均质性,将桩简化为等截面弹性体,通过建立管桩-土体体系纵向耦合振动简化分析模型,采用Laplace变换和复刚度传递方法,递推得出桩周、桩芯土体与桩体界面处复刚度,进而利用桩-土完全耦合条件推导得出桩顶动力阻抗解析解答,且将所得桩顶动力阻抗解答与已有相关解答进行退化验证其合理性,在此基础上,通过进一步参数化分析探讨了管桩桩长、桩内径、桩周土施工扰动程度和施工扰动范围对管桩纵向振动特性的影响规律,可为具体工程实践提供理论指导和参考作用。     

三维波动土中考虑桩身变截面与桩周土相互作用的大直径桩的动力特性

 采用Voigt体来模拟桩身变截面与土的相互作用,得到了三维波动土中考虑变截面与土相互作用的大直径桩–土作用模型。对桩身变截面处的应力平衡和应变连续条件进行拉普拉斯变换,得到修正的阻抗函数递推法。桩周土采用考虑径向和纵向波动的三维轴对称模型,桩身采用黏弹性Rayleigh-Love杆来考虑大直径桩的横向惯性效应。结合修正的阻抗函数递推法,通过求解桩土动力平衡方程得到了桩顶的速度频响的解析解和瞬态激振下速度时域响应的半解析解。通过参数分析,将所得解与忽略桩身变截面与土相互作用的解进行对比,并分析有关参数与变截面与土相互作用的耦合作用。     

饱和黏弹性土中单桩的纵向振动

基于Biot两相介质模型,在频率域内研究了简谐荷载作用下饱和黏弹性土中桩纵向耦合振动特性。借助Novak平面应变模型推导了饱和黏弹性土层的控制方程。将桩等效为一维杆件模型,建立了桩的振动方程。根据桩土连续性条件,求得了桩顶的动力刚度和动力阻尼。与Novak解进行了对比,并考察了长径比、流固相互作用系数、土骨架的阻尼比、桩土模量比等参数对饱和土桩系统纵向振动的影响。结果表明:单相和饱和黏弹性土中桩的动力特性存在一定差异;随着长径比的增加,动刚度因子和等效阻尼的共振效应明显减弱;而随着模量比的增加,共振效应和基频都有所增大;流固相互作用系数和土骨架的阻尼比影响相对较小。     

考虑地基土非线性固结的桩侧负摩阻力计算方法研究

针对软土地基因固结沉降在桩侧引发的负摩阻力问题,从桩土相互作用机理出发,首先,根据软土压缩曲线性质,采用双曲线应力应变模型考虑地基土固结非线性特性,推导了桩侧土沉降随深度和时间变化的计算公式;其次,引入Gibson地基理论考虑地基土的非均质性,结合桩土界面剪应力–剪应变双曲线模型,建立了反映桩土界面剪切刚度系数随深度非线性增长的荷载传递函数。在此基础上,联立桩体平衡方程,获得了桩侧摩阻力、桩身轴力分布和中性点位置。最后,将理论计算曲线与工程实测曲线进行对比,并进一步分析了压缩试验参数、固结度、桩径及桩长、地表堆载对桩侧负摩阻力及中性点位置的影响,结果表明计算方法是可行的,可为类似工程提供参考。     

桩土变形计算模型和变刚度调平设计

不同基宽压缩层深度、基础和桩侧土变形范围、双桩相互影响系数以及桩顶荷载分布的测试结果说明 ,土 -土、桩 -土、桩 -桩相互作用效应较连续介质弹性理论值明显弱化。这是导致按弹性理论计算沉降和相互作用影响偏大的基本原因。本文提出土 -土、桩 -土、桩 -桩相互作用影响计算修正模型 ,应用于高层建筑地基 -基础 -上部结构共同作用计算 ,工程验证表明实测沉降等值线与计算接近 ;并提出共同作用变刚度调平优化设计概念与方法 ,应用于 7项工程 ,收到了大幅节约桩基造价、减小差异沉降的效果。