考虑土塞效应的分数阶导数描述的黏弹性饱和土中部分外露管桩扭转振动

考虑管桩的土塞效应,利用分数阶导数黏弹性理论和多孔介质理论得到了以位移表示的分数阶黏弹性饱和土的扭转振动控制方程,建立了分数阶黏弹性饱和土-部分外露管桩扭转动力相互作用模型。考虑分数阶导数和贝塞尔函数的性质以及土体边界条件,得到了等效Winkler扭转弹簧-阻尼器模型的等效刚度和阻尼系数。考虑桩周和桩芯饱和土对管桩的作用,运用传递矩阵法求解了部分外露管桩的扭转振动,得到了管桩桩顶的扭转刚度因子和等效阻尼系数。以数值算例的形式讨论了管桩和土体力学性质参数和几何参数对管桩扭转振动的影响。结果表明：管桩的几何参数对分数阶黏弹性饱和土中部分外露管桩扭转振动的影响较力学性质参数的影响要大;考虑土塞效应研究分数阶黏弹性饱和土中部分外露管桩扭转振动时不能忽略土体黏滞性的影响,但桩芯与桩周饱和土性质的差异可以忽略;管桩的管壁厚度对扭转振动的影响较为敏感。     

分数导数黏弹性模型描述的土中部分埋入单桩的扭转振动

桩周土体的本构关系利用分数导数黏弹性模型来描述,桩土扭转动力相互作用采用等效扭转Winkler弹簧-阻尼器来模拟,利用分离变量法得到了分数导数黏弹性土层的扭转等效Winkler弹簧-阻尼器模型的刚度系数和阻尼系数。利用传递矩阵法并考虑埋入部分及外露部分的边界条件求得了分数导数黏弹性土中部分埋入单桩的桩顶复刚度。以数值算例的形式讨论了分数阶黏弹性本构模型的模型参数和桩土参数等对桩顶扭转复刚度的影响。研究表明:分数导数的阶数对桩顶复刚度随频率变化曲线的峰值附近有一定的影响,桩的埋入深度和桩土模量比对桩顶复刚度有较大的影响,且埋入深度对桩顶复刚度的影响与外露部分的长度有一定的关系,本构模型参数对桩顶复刚度的影响较为复杂,本构模型的黏性项Tε较大时可能导致等效阻尼为负值。     

滞回阻尼土中大直径管桩纵向振动响应解析解

考虑土体材料的滞回阻尼和桩周土–桩–桩芯土耦合振动,对黏弹性地基中现浇大直径管桩纵向振动频域特性进行理论研究。假定桩为一维杆,土体为轴对称均匀黏弹性体。采用Laplace变换和分离变量的方法求得桩周土和桩芯土纵向位移频域解,然后利用桩土位移和应力连续耦合条件求得桩顶频域响应解析解。将所得解完全退化到实心桩的解,验证解析解的合理性。分析桩长、土体剪切模量和桩径对桩顶复刚度的影响,得到各参数对桩振动特性影响的规律。分析表明:桩长增大,桩顶复刚度的振荡幅值和共振频率均显著减小,但当桩长增大到一定桩长的时候,增加桩长基本没有影响。土体剪切模量越大,桩顶复刚度的振荡幅度越小,且桩周土剪切模量的影响比桩芯土更为显著。外径的增大或内径的减小,均会使桩顶复刚度的振荡幅值增大。     

简谐SH波作用下管桩的振动特性

在一维波动模型的基础上得到了简谐SH波作用下桩周土和桩芯土的位移。在三维轴对称的情况下,运用势函数和分离变量法求解了简谐水平集中荷载和SH波引起的管桩桩周土和桩芯土的振动问题,得到了桩周土和桩芯土的径向位移和环向位移。考虑管桩土动力相互作用和管桩土的连续性边界条件对简谐水平集中荷载和SH波作用下管桩的振动进行了研究,得到了管桩桩顶的动力放大因子。通过数值算例分析可知,简谐SH波作用下管桩存在共振现象;管桩管壁过薄宜导致桩基失稳;相同外径情况下采用管桩要比实芯桩的抗震性能更好。     

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。     

上覆分数阶粘弹性饱和场地土位移地震放大系数

考虑土体液相和固相的耦合作用,将基岩上覆场地土视为两相饱和多孔介质。为了考虑饱和场地土的粘弹性特性,其固相土骨架的应力应变关系利用分数阶Kelvin粘弹性模型来描述,建立了上覆分数阶粘弹性饱和场地土在简谐地震波作用下的运动控制方程。运用分数导数的性质并考虑上覆场地土的边界条件和透水性条件求解了上覆分数阶粘弹性场地土在简谐地震波作用下的振动问题,得到了饱和场地土的位移地震放大系数。采用数值算例分析讨论了分数导数的阶数、液固耦合系数、土体模型参数、基岩土体剪切模量比等参数对位移地震放大系数的影响。研究结果表明,分数导数的阶数、液固耦合系数、土体模型参数、基岩土体剪切模量比对饱和场地土的地震响应有较大的影响,通过压实场地土,可以达到增大液固耦合系数减小地震响应的作用,通过增大饱和场地土的粘性和剪切模量也可以减小地震反应。     

基于附加质量模型的管桩扭转振动研究

基于附加质量模型研究了管桩的扭转振动特性,为管桩的无损检测、动力基础设计和抗震设计提供了新的理论依据。首先,推导出管桩桩顶复刚度和速度频域响应解析解及半正弦脉冲激振力作用下桩顶速度时域响应半解析解;然后将该文解与经典的平面应变解进行对比,验证本文解的合理性;最后分析土塞高度和土塞与管桩之间的阻尼作用对管桩扭转振动特性的影响。分析表明:土塞高度和土塞与管桩之间的阻尼作用是影响管桩扭转复刚度的重要因素;随着土塞高度的增加和土塞与管桩之间阻尼作用的增强,填充土塞段管桩的扭转综合波速会逐渐减小。     

虚土桩扩散角对楔形桩扭转振动阻抗的影响

基于桩端土的锥形虚土桩模型,研究端土应力扩散效应对楔形桩扭转振动阻抗的影响。首先将桩侧土和桩端土划分多个薄层,采用平面应变模型求解得到桩(虚土桩)侧土的剪切复刚度,然后利用Laplace变换技术和阻抗函数递推法得到虚土桩顶部阻抗,并将其作为楔形桩的实际支撑刚度,进一步推得楔形桩桩顶扭转振动阻抗频域响应解析解;最后,分析虚土桩扩散角对楔形桩扭转振动阻抗的影响。研究表明:随着虚土桩扩散角的增大,楔形桩桩顶扭转动刚度逐渐增大,动阻尼逐渐减小。     

考虑挤土效应的大直径管桩纵向振动特性研究

基于考虑土体竖向波动效应的三维轴对称模型,研究考虑挤土效应时的大直径管桩纵向振动特性。首先,将桩周土及桩芯土沿径向分别划分为若干同心圆圈层,各圈层内部土体径向均质;然后,分别建立各圈层桩周土及桩芯土的纵向振动控制方程,求解方程并根据各相邻圈层及桩–土接触面上应力和位移的连续条件,递推得到桩周土–桩及桩芯土–桩之间的动力相互作用,将其代入到桩的纵向振动控制方程中,进而求解得到桩顶频域响应解析解;最后,通过参数分析的方法,在低频范围内研究大直径管桩桩身设计参数及挤土效应对桩顶复阻抗的影响,并通过与已有文献的对比证明本文解的合理性。     

非均质地基中单桩受扭弹塑性分析

基于平衡原理和剪切位移法,考虑桩周非均质地基土剪切模量在地面处为非零值(已有方法多假定为零)且随深度呈指数和幂函数两种分布模式,以及桩-土接触面上的位移非协调性,建立出纯受扭桩桩身与桩周土的扭转控制方程,进而导出桩周土分别处于弹性、弹塑性及塑性受力状态下的桩身扭矩~扭转角解析解。由此进行的参数分析结果表明:随土体剪切模量指数分布函数中非线性系数m值的减小和地面处桩土剪切模量比μ值的增大,桩顶扭矩的传递深度、桩顶及桩身的扭转角均表现为增大的特性;幂函数分布模式中地面处剪切模量非零因子αg的取值将影响桩身扭矩的传递效率,并导致扭矩分布呈现凹、凸两种不同形状。此外,桩身扭矩的传递存在一临界深度,当桩身长径比L/D≥50时,桩顶扭矩的破坏值与弹塑性临界值之比ζ趋于稳定。