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。     

单排空心管桩屏障对平面SV波的隔离效果研究

参考圆柱坐标系下一排圆柱体对弹性波的多重散射,根据桩土界面处应力和位移连续的条件,得到了非连续空心管桩屏障对入射平面SV波散射系数的理论解。通过引入无量纲位移幅值,即屏障后土体的竖向位移与入射平面SV波引起的竖向位移的比值,比较了不同形式的屏障对入射平面SV波的隔离效果。讨论了桩间距、屏障的位置和管桩的剪切模量(刚度)对单排空心管桩屏障对平面SV波隔离效果的影响,为非连续屏障的隔振设计提供了理论依据。     

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。     

不同荷载速度下弹性土体中排桩的隔振效果分析

利用Muki和Sternberg的虚拟桩法,分析了不同荷载速度下弹性土体地基中排桩对移动荷载引起振动的被动隔振效果。首先由积分变换推导弹性土体表面受移动荷载的自由波场解、内部受圆形均布简谐荷载作用下的基本解,再根据基本解与桩土变形协调条件,建立了频域内土—桩的第二类Fredholm积分方程。最后通过求解积分方程与相应的积分逆变换得到时间域内评价隔振效果的振幅比。通过与已知文献结果比较,验证本文方法的正确性。数值结果表明:荷载速度对排桩的隔振效果有一定影响:当移动荷载小于土体的剪切波速时,随荷载速度增加排桩的隔振效果会降低,然而当荷载速度大于土体的剪切波速后,部分区域的隔振效果较好。     

基于Floquet变换方法的单排桩隔振数值模型

基于Floquet变换方法,建立了周期性排桩隔振问题的数值计算模型。首先利用Muki的虚拟桩方法,将桩土体系分解为拓展半空间弹性土和一系列虚拟桩。利用半空间土体的基本解,自由波场解及桩土协调条件,建立了排桩的第二类Fredholm积分方程。根据Floquet变换方法,得出了排桩在波数域内的积分方程。求解该积分方程即得排桩在波数域内的解,对波数域内的解进行Floquet逆变换,即得排桩在空间域内的解。数值结果表明,Flo-quet变换方法的结果与直接叠加法的结果完全吻合。利用所建立的数值模型,文中对桩长、桩土弹性模量比、桩间距对排桩隔振效果的影响进行了分析。     

弹性土中排桩对倾斜入射S波的隔离效果

使用加法转换定理,将某一桩体附近的总波场构造为入射波和所有桩体的散射波之和,通过施加桩土界面处的应力和位移连续的边界条件,利用不同阶三角函数线性无关性,求得散射波势函数的待定系数。数值算例给出了倾斜入射角、入射波频率和桩土弹性模量比等对排桩隔离效果的影响,得出相应的变化规律。     

波浪荷载下海底单桩与土共同作用的数值分析

采用三维数值分析方法研究了波浪荷载作用下饱和海床与埋入单桩的相互作用特性,考虑了海床饱和土体的流固耦合和桩土界面的接触特征,并采用准静态方法模拟短峰波作用于海床的三维波压力分布与变化特征。根据数值分析结果,研究了波浪荷载作用下海床土体内的孔压和应力变化规律、海底单桩的变形和内力分布情况,探讨了桩土接触面不同处理方式的影响,并与自由海床的结果进行比较。结果表明桩端附近土体的孔压出现局部放大现象,桩身水平位移主要受土体位移影响。采用桩土耦合模型将夸大土体内的附加应力和孔压变化,且桩身内力和桩底的应力集中现象也更为明显。     

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。     

土介质中弹性波传播规律的数值研究

通过Biot两相介质波动理论得到饱和土中的弹性波弥散方程,再以两组数值算例分析不同频率和土体渗透性情况下的压缩波速和剪切波速变化情况,研究饱和土中波的弥散特性。结果表明,饱和土两相介质中的流体与土骨架的耦合作用会对弹性波传播产生影响,而气体与土骨架的耦合作用要比水与土骨架之间的耦合作用弱很多,水饱和土中的压缩波速会大于纯水中的压缩波速,与试验结果一致。     

饱和土中单桩在瑞利波作用下的动力响应

研究了频域内半空间饱和土中单桩在瑞利波作用下的动力响应。首先利用Muki的虚拟桩方法,将桩土共同作用问题分解为拓展的半空间饱和土和虚拟桩的叠加。拓展的半空间饱和土用Biot理论求解,而虚拟桩则用杆和梁的振动理论求解。利用半空间饱和土的基本解和自由波场解及桩、土间变形协调条件,建立了桩土共同作用的第二类Fredholm积分方程。对积分方程的数值求解可得桩在瑞利波作用下的动力响应。数值结果显示了饱和土的渗透系数、桩土相对刚度及入射波的频率对桩的动力响应有显著影响。     

排桩隔振试验分析

基于实体桩现场测试试验的基础上,研究了饱和土地基中非连续屏障对振动的隔离,分析了饱和土体渗透性对非连续屏障隔振效果的影响,研究表明在一定条件下,实芯桩的桩径对隔振有一定影响,随着桩径的变大,隔振效果逐渐变好,通过动态分析测试系统对测点三个方向检测,可得振动对于场地在三个方向上的影响是不一样的,对于两排组合桩与单排桩的比较,本试验组合桩的隔振效果比单排桩效果大致相差不大。     

考虑土体三维强度特性的静压桩周超孔压解析及演变

 将饱和黏性土中静压沉桩过程近视看作柱孔不排水扩张问题,在充分考虑土体三维强度特性的条件下采用SMP准则改进的修正剑桥模型,推导得出柱孔扩张引起超孔压的基本解答。在此基础上,考虑桩周土竖向和径向固结,建立空间轴对称固结方程的定解条件,采用分离变量法求得桩周超静孔隙水压力消散的级数解答。分析桩周土体超静孔隙水压力随时间和空间的演变规律,揭示应力历史、径向和竖向固结系数以及剪切模量等因素对初始超孔压的产生和随后的固结速率的影响规律,并通过实例验证本文解答的合理性和适用性。通过与现场实测对比,本文解答较好地反映了静压桩周土体超静孔隙水压力的演变规律。此外,桩周土体的超静孔隙水压力随距桩侧径向距离增大呈对数衰减。剪切模量和竖向固结系数对桩周土体固结速率影响较小,而土体超固结比和径向固结系数对固结速率影响较为显著,表明超孔压消散主要发生在径向。研究成果对静压桩承载力的确定具有一定的指导意义。     

均质土层中超长两桩基础承载性状的数值研究

基于三维有限元分析方法,研究了均质地基土中超长两桩基础的承载性状。在有限元模型建立中,为了考虑桩–土共同作用,桩和地基土均用8结点等参单元模拟;为了考虑桩–土间的变形非线性特性,桩–土间设置了一层有厚度的薄单元;桩身混凝土的应力应变关系用线弹性模型模拟,地基土用Duncan-Chang非线性弹性模型模拟,桩周薄单元用河海大学薄单元模型模拟。计算分析表明,基桩的竖向刚度随桩中心距的增大、桩长的增大而增大,但其总小于单桩的竖向刚度;桩侧阻端阻综合群桩效应系数随桩顶沉降、桩中心距的增大而增大,随桩长的增大呈先减小后增大或基本保持不变的变化特点。     

上覆弹性板双层地基在移动荷载作用下的动力响应

 用Fourier变换及逆变换对移动荷载作用下路基路面系统的动力响应问题进行研究。考虑路基路面相互作用,假设一条形移动荷载作用在路面板的表面,地基以地下水位面为分界面分为双层,水位面以上为单相弹性土层,以下为饱和土层。考虑地基土层厚度有限,利用Lame对位移场的分解理论,引入势函数,并运用Fourier变换分别对弹性土层和饱和土层进行分析。在Fourier变换域内,结合边界条件,联立路面板、弹性土层和饱和土层的运动方程,得到土体竖向位移、应力和饱和土层内孔隙水压力的表达式;同时利用离散Fourier逆变换得到数值计算结果。计算结果表明,荷载速度、频率,饱和土层的渗透系数对地表竖向位移的影响很大;弹性土层厚度对竖向位移的影响依赖于荷载速度;弹性土层厚度以及弹性土层和饱和土层的相对刚度比对孔隙水压力有非常明显的影响。     

SV波入射下均匀饱和地层渗透系数对深埋隧道的影响机制

对于饱和场地中地下结构的抗震分析问题,地层渗透系数决定了孔隙水与土骨架耦合作用的强弱,是研究饱和地层–结构动力相互作用的关键参数之一。然而,目前研究通常基于渗透系数为零或无穷大的假定,忽略了实际地层的渗透特性且对其影响机制尚不清晰。针对不同类型均匀饱和地层对应的渗透系数分布范围,基于Biot两相介质理论,首先建立了饱和地层不同渗透系数情况下的u-w格式模型,推导渗透系数分别为有限值、零和无穷大3种情况下P₁,P₂,S波的波速解析表达式,分析了地层渗透系数变化对自由场波速的影响规律;进而,建立了不同类型饱和地层与深埋隧道动力作用分析模型,并与典型算例精确解对比验证了本模型的有效性;在此基础上,分别研究了砂岩、卵石土、砂土、粉土4种类型饱和地层渗透系数变化及两种极端值情况下隧道结构及周围地层孔隙水压力的响应机制。结果表明:对于不同类型饱和地层,3种体波在地层中的传播速度均随渗透系数k增加呈上升趋势,当k<10^-4 m/s时,波速为最小值且与k→0极端情况一致,当k>10~2 m/s时,波速为最大值且与k→∞极端情...     

饱和地基上刚性条形基础的竖向振动分析

基于Biot动力方程,研究了饱和均质弹性半空间上刚性条形基础的竖向振动问题。通过Fourier积分变换求解了饱和土的动力控制方程,并结合上边界为混合边界的条件得到了刚性条形基础的竖向振动对偶积分方程,利用正交多项式对偶积分方程转化为求解一组线性代数方程组,得到了动力柔度系数随无量纲频率的关系曲线;同时,将其退化到单相弹性半空间,得到了单相弹性半空间上刚性条形基础竖向振动的动力柔度系数,并进行了对比。数值分析结果表明:对于饱和半空间上刚性条形基础的竖向振动,动力渗透系数较大时,动力渗透系数对动力柔度系数的影响较大,而当动力渗透系数较小时,则可以忽略动力渗透系数对动力柔度系数的影响。此外,动力柔度系数基本上不受土体参数泊松比的影响,且实部和虚部的绝对值均小于退化到单相弹性半空间上的值。     

饱和地基中瑞利波的弥散特性

基于第一作者提出的饱和土弹性波动方程，本文提出了饱和地基中端利波的频率特征方程，并由此分析了瑞利波传播速度和衰减系数随振动频率、土渗透系数等因素而变化的规律性。研究表明，在低频和低渗透条件下，饱和地基中瑞利波的速度符合经典波动理论公式，其值受第二P波的影响甚微。     

饱和地基中瑞利波的弥散特性

基于第一作者提出的饱和土弹性波动方程，本文提出了饱和地基中端利波的频率特征方程，并由此分析了瑞利波传播速度和衰减系数随振动频率、土渗透系数等因素而变化的规律性。研究表明，在低频和低渗透条件下，饱和地基中瑞利波的速度符合经典波动理论公式，其值受第二P波的影响甚微。     

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。