分数阶三维积分型黏弹性土体中单桩的水平动力阻抗研究

基于土动力学、黏弹性理论和分数阶导数理论建立了分数阶三维积分型黏弹性土体水平振动控制方程。利用势函数对分数阶三维积分型黏弹性土体的水平振动方程进行解耦,借助分离变量法在频率内求解了分数阶三维积分型黏弹性土体的水平振动,得到了土体对单桩的水平作用,进而建立了分数阶三维积分型黏弹性土体中单桩的水平振动方程。考虑单桩的边界条件和桩顶水平动力阻抗的定义,求解了单桩的水平振动,并对桩顶水平动力阻抗进行了数值分析和讨论。研究表明:高频时,分数导数的阶数对水平动力阻抗有影响,土体黏性系数较小时水平动力阻抗实部和虚部随频率的变化曲线存在波动现象;长径比越大,水平动力阻抗越小,长径比达到一定程度时其对水平动力阻抗几乎没有影响。     

基于积分型分数导数本构方程的黏弹性土层中单桩的竖向复刚度与导纳研究

建立了基于三维积分型本构方程的单桩在黏弹性土体的竖向振动微分方程。利用三维分数导数Kelvin黏弹性本构关系描述土体的应力应变关系,考虑分数导数和卷积的Fourier变换性质,利用势函数和分离变量法在频域内求解了分数导数黏弹性土层的竖向振动,并在此基础上求解了黏弹性土层中单桩的竖直振动。研究了土体本构模型参量对桩顶复刚度和桩顶导纳的影响。研究表明,分数导数的阶数对桩顶复刚度和桩顶导纳有较大的影响,土体黏性系数对桩顶复刚度的实部和桩顶导纳影响较大,而对桩顶复刚度虚部影响相对较小。     

基于积分型分数导数本构方程的粘弹性弹性土层中单桩的复刚度与导纳研究

在三维积分型粘弹性本构方程的基础上，建立了基于三维积分型本构方程的粘弹性土体的竖向振动微分方程。利用三维分数导数Kelvin粘弹性本构关系描述土体的应力应变关系，考虑分数导数和卷积的Fourier变换性质，利用势函数和分离变量法在频域内求解了分数导数粘弹性土层的竖向振动，并在此基础上求解了粘弹性土层中单桩的竖直振动。研究了土体本构模型参量对桩顶复刚度和桩顶导纳的影响，研究表明，分数导数的阶数对桩顶复刚度和桩顶导纳有较大的影响，土体粘性系数对复刚度的实部和桩顶导纳影响较大，而对复刚度虚部影响相对较小。     

三维饱和地基人工黏弹性边界

本文针对中低频率工程振动问题,不计流体加速度,基于球面波动方程导出了无限大三维饱和地基人工黏弹性边界及其流量边界条件。在此基础上给出了具有人工黏弹性边界的饱和土体动力固结问题虚位移原理。根据有限元语言编写出算法脚本文件,并基于有限元自动生成系统(FEPG),生成了计算源代码程序。通过在无限大地基表面施加冲击荷载和突加荷载的数值算例,验证了所建立方程和程序的正确性。本文方法可以应用于三维饱和地基的动力固结问题数值模拟。     

黏弹性文克尔地基修正Timoshenko梁横向振动复模态分析

利用修正Timoshenko梁理论,考虑地基黏性阻尼,建立黏弹性文克尔地基修正Timoshenko梁动力方程,解决了黏弹性地基经典深梁(Timoshenko)两频谱矛盾。利用复模态分析方法导出微分方程在多种约束条件下的复频率求解超越方程及其振型函数。当不计梁剪切转动惯量的影响时,方程可退化为黏弹性文克尔地基经典深梁计算模型;当不计梁剪切变形的影响及地基黏滞阻尼时,方程退化为常见的弹性地基Euler梁振动模型,其计算模型较为通用。分析了黏弹性地基梁在不同理论下的计算差别,结果表明:黏弹性地基Euler梁在高频段及梁长较短的低频段具有很大误差,黏弹性文克尔地基经典Timoshenko梁相对于Euler梁误差有所减小,但随阶次的增加相对误差逐次增大,在较高频段亦产生不可忽略的影响,证明了地基黏滞阻尼对地基梁振动低频段有较大影响。     

考虑土体非线性时大直径端承桩竖向振动研究

为了研究层状地基中大直径桩的竖向振动特性,首先修正了经典土体振动模型,进一步研究了塑性指数及桩周土体应变对土体的动剪切应力、动剪切模量和滞回阻尼比的影响,并在此基础上将桩周土体分成不同区域,求解了考虑非线性情况下土体动阻抗,通过传递矩阵法得到了大直径端承桩在分层土体中的桩-土振动模型,最后给出了桩底动阻抗的影响因素和变化规律。结果表明:考虑土体非线性时,塑性指数、桩周土体应变、桩土相对刚度、桩的长细比对大直径桩动阻抗的影响较大,在工程设计中应重点考虑。     

横观各向同性饱和无限土体三维粘弹性动力时域解

根据横观各向同性饱和土体的三维动力方程，运用Fourier展开、Laplace 和 Hankel变换方法，求解了横观各向同性饱和土体的粘弹性动力反应问题。给出了土骨架位移分量、孔隙流体相对于土骨架的位移分量和孔隙流体压力的积分形式一般解。并对横观各向同性饱和土体动力响应边值问题的求解过程作了系统说明。为了求得时域内的数值解，利用Laplace-Hanke数值逆变换编制了计算程序，研究了对垂直向和水平向圆形动力荷载作用下半空间边值问题，并进行了弹性与粘弹性解的对比以及粘性系数的改变对计算结果的影响分析。     

移动荷载作用下饱和土—桩系统动力响应的积分方程法(英文)

采用Muki虚拟桩法,在频域内建立了移动荷载作用下饱和土体—桩系统相互作用的第二类Fred-holm积分方程,通过离散积分方程与傅里叶逆变换,得到了时间、空间域内桩—土的动力响应,并通过数值计算,分析结果表明:当荷载速度较高时,桩侧有明显的负摩阻力,同时桩顶上部有较大的负孔压.     

层状地基中考虑固结和流变的垂直单桩的理论分析

利用积分方程求解了考虑固结和流变的层状饱和土地基中的垂直受荷单桩问题。为了求解该问题，首先利用层状饱和土的圆形载荷基本解，建立了时域内层状饱和土地基中单桩的积分方程。对所得的积分方程进行Laplace变换，得到变换域内的积分方程。对变换域内的积分方程采用Schapery逆变换方法得到时域内单桩的近似积分方程。数值求解所得的积分方程可以得到桩的沉降、轴力、剪力和孔压     

考虑桩顶水平反力的水平受荷单桩弹塑性解析解

基于线性地基反力法和土体的弹塑性本构关系,对桩顶水平反力系数不为零时的水平受荷桩进行了研究,给出了桩顶土屈服临界荷载（水平力、弯矩）的耦合关系式。研究结果表明,当荷载大于临界荷载时,桩顶土发生塑性屈服,其塑性屈服深度随荷载的增加而增加,但其塑性区扩展速率随桩顶荷载的增加而逐渐减小。给出了弹性区与塑性区桩内力耦合的矩阵方程及其迭代求解格式;利用曲面拟合软件给出了塑性区换算深的计算公式。通过工程算例验证,证明该方法可靠快捷,便于手算,值得推广。      

水平地震作用下单桩动力响应数值分析

利用MIDAS—GTS软件,对桩一土相互作用体系中单桩受水平地震动力响应进行三维有限元数值模拟,采用弹性阻尼人丁边界,分析了不同水平地震作用、桩长、桩径、桩长细比、桩身弹性模量、桩周土弹性模量及土体泊松比等参量对单桩水平位移和弯矩的影响。分析结果表明：合理的选取桩长、桩径等参量能有效提高单桩的抗震性能,同时,桩周土的各参数变化对单桩的水平抗震能力影响较大。     

基于复模态法的粘弹性基桩横向振动研究

 假定基桩及桩周土材料满足非线性弹性和线性粘弹性本构关系,导出了分析基桩线性横向振动的非线性偏微分方程。在假设基桩和土的非线性比较弱的情况下,忽略非线性因素影响,用复模态法得到了一端铰支、另一端轴向自由横向铰支的端部条件下方程的解析解,并给出了数值算例,考察了参数的影响。结果表明：粘性系统的频率随着桩周土刚度增大而非线性增大,随着桩顶静载荷的增大而减少,静止桩是振动桩的一种特殊形式,桩周土的存在大大增加了基桩的承载力,土抗力调整系数对基桩承载力的影响也较大,硬土比软土更能提高基桩的承载力。     

Monopile responses to monotonic and cyclic loading in undrained sand using 3D FE with SANISAND-MSu

Monopile response under undrained conditions in sand is gaining increasing interests owing to the recent development of offshore wind farms in seismic regions. Pore pressure evolution in liquefiable soil can significantly reduce the strength and stiffness of the soil which in turn affects the structural dynamic response. Several numerical models have been developed in the last two decades to enhance understanding of the mechanism of monopile–soil interaction with the existence of pore water pressure. In this study, the effects of geometry and static vertical load on monopile lateral response were studied using three-dimensional finite element methods that consider the existence of lateral cyclic load-induced pore water pressure. To achieve reliable simulation results of pore pressure development and pile displacement accumulation during cyclic loading, the simple anisotropic sand model with memory surface for undrained cyclic behavior of sand was adopted. For piles with the same diameter, a accumulated pile head displacement during lateral cyclic loading decreased linearly with increasing pile embedded length but increased with increasing eccentricity. Static vertical load had minor effects on pile cyclic lateral response. The distributions of mean effective stress and pore water pressure in the soil domain were presented. The pile reaction curve (cyclic soil reaction against pile defection) of the monopile was extracted. The numerical results aim to provide reference for optimized engineering design procedures.     

框架逆作深基坑变形特性三维数值分析

对基坑的变形特性进行数值分析在基坑设计中至关重要。结合实际工程框架逆作法超大基坑,选用Z Soil数值分析软件建立了全框架基坑模型并进行了数值模拟。由于需要考虑连续墙和土体之间的接触问题,土体则采用能够反映土体硬化特性的Hardening-Soil模型。为了更深刻的认识框架逆作法基坑变形的规律,并为设计者提供更好的参考,对影响框架逆作法基坑变形的一些主要参数进行了系统研究,包括框架梁截面尺寸、框架梁水平支撑竖向间距以及围护桩桩径等。结果表明:改变框架梁水平支撑竖向间距对围护墙的最大侧移、地表最大沉降有较大影响。增大围护桩桩径或框架梁的截面尺寸可以在一定程度上减小围护墙体变形,但超过某一定值时,其减小变形的效果将大大降低。     

海上大直径钢管桩水平向桩土界面参数试桩分析

为了研究海上大直径钢管桩水平向承载机理与桩土作用关系,基于海上大直径钢管桩水平向静载试验成果数据,运用 API 规范建议的 p － y 曲线方法,结合有限差分解法,对海上大直径钢管桩水平承载特性及桩土界面参数分析计算方法进行研究。结果表明,地基上部土层的性状是影响基桩水平承载性能的主要因素; 采用土体参数范围值计算的基桩水平承载性能基本可以反映土体的真实性状。按照 API 规范给出的 p － y 曲线模式计算得到的桩身挠度和弯矩与试桩测试数据存在一定的拟合关系,拟合优度在 0. 891 ～ 0. 932 之间,其中黏性土的拟合优度整体上大于无黏土,浅层黏性土的拟合优度大于深层黏性土。在 0 ～ 20 mm 水平位移下,桩侧土体处于线弹性状态,桩身挠度与弯矩的计算值均大于测试值,说明此时 p － y 曲线法低估了土体性能; 在大于 20 mm 的水平位移下,桩侧土体处于非线性状态,桩身挠度与弯矩的计算值均小于测试值,表明此时 p － y 曲线法高估了土体性能。研究成果可为进一步深入分析海上大直径钢管桩水平向承载性状和桩土的相互作用机理提供参考。     

泵站单桩基础水平承载特性数值模拟分析

岸边引水式泵站厂房受较大扬压力作用,同时承受较高的水平向荷载,且偏心距较大,即使增加泵站偏心重量,抗滑稳定安全系数和泵站基底大小应力也难以满足规范要求。而通过解析法研究单桩基础竖向荷载及水平荷载又比较困难,所以采用有限元数值分析,并考虑桩径、桩长、地基土弹性模量等因素的变化,对桩基弯矩与位移的影响进行分析。研究得出:约束桩顶、增加桩径、提高地基土弹性模量,对桩基抵制水平荷载贡献较大;而增加桩长、提高桩基混凝土弹性模量,对桩基抵抗水平荷载效果不明显。通过采用约束桩顶、增加桩径、提高地基土弹性模量等措施,泵站抗滑稳定安全系数及基底应力满足规范要求。     

大型炼厂软弱地基PHC管桩现场试验与分析

针对大型炼厂工程软弱地基处理的复杂性,开展了PHC管桩的现场试验,完成了PHC管桩施工后的低应变、高应变动力测试及单桩水平、抗压静载荷试验。基于低、高应变测试结果分析了桩身质量及完整性;以高应变测试和静载荷试验结果验证了单桩承载能力;对不同桩径的PHC管桩经济性做了比较分析。静载荷试验结果表明,PHC管桩单桩承载力能达到设计要求;PHC管桩桩径为400 mm时,桩长对单桩极限承载力影响较大,桩径为500 mm或600 mm时,桩长影响较小;同一桩长的单桩极限承载力随桩径增大而增大,不同桩长的增大形式存在差异;灌芯桩比不灌芯桩单桩水平承载力提高50%以上;从经济角度考虑,抗压PHC管桩首选500,桩端持力层选择强风化-中风化泥岩或全风化-中风化砂岩为宜。 