变截面桩的纵向振动特性

本文以一般弹性杆的纵向振动理论为基础，建立了变截面桩振动参数的计算模式，结合试验结果的分析，研究了桩顶竖向激振力作用下变截面桩的刚度、频率和振幅特性，探讨了影响桩身动力特性的基本因素，为竖向振动荷载作用下变截面桩的设计提供了参考。     

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。     

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。     

CFG桩复合地基动力特性和时程响应影响因素分析

通过现场试验对天然地基和CFG桩复合地基动力特性和时程响应进行了研究。分析了天然地基和CFG桩复合地基在空载情况下一阶频率变化规律。单桩复合地基和九桩复合地基时,分别在静载和爆破情况下,对CFG桩复合地基动力特性和时程响应进行了分析。研究了爆破激振作用下,单桩复合地基和九桩复合地基水平方向位移的变化规律。分析了CFG桩在不同荷载条件下一阶频率的变化规律;在相同爆破激振条件下,峰值加速度的规律。为今后探讨动力荷载作用下CFG复合地基的承载力和变形特性提供了研究基础。     

Timoshenko模型桩水平振动的非线性动力刚度

基于桩水平振动的非线性土阻抗,将桩等效为Timoshenko梁,研究非线性黏弹性土层中端承桩水平振动的动力特性,给出频率域内桩头非线性动力刚度的半解析解,得到桩头动力刚度和阻尼随频率的响应,考察物性和几何参数等对桩头动力刚度和阻尼的影响。结果表明:土非线性降低桩头刚度和阻尼,在第一共振频率处,桩头动力刚度取极小,并且随着桩振幅的增加,土层非线性效应逐步增强,这些结果可以为工程设计提供参考和帮助。     

人群竖向荷载诱发结构水平振动试验研究

采用试验的方法研究结构的竖向–前后耦合振动现象,建立结构试验模型,采用激振器施加竖向周期性荷载,测试9种不同组合模型、5种不同荷载、3种不同激振位置3种工况下试验模型的水平振动情况。测试结果表明对称结构在非对称竖向荷载作用下会产生明显水平位移,且竖向荷载频率接近于结构水平固有频率时将产生共振现象。     

带承台单桩动刚度的试验研究

采用激振法和冲击激励法对广州珠江电厂燃气(LNG)联合循环工程4根带承台的冲孔灌注桩进行现场试验,试验内容包括:单桩竖向、单桩水平-旋转耦合受迫振动试验和自由扭转振动。根据现场试验的结果,给出单桩抗压动刚度、抗剪动刚度、抗弯动刚度、抗扭动刚度和单桩扭转振动、单桩竖向振动和水平-回转耦振动的阻尼比的测试结果。同时,研究带承台单桩动刚度和阻尼比随桩长的变化规律,为大型动力机器基础的振动和隔振设计提供技术依据。但在现场试验时,因周围环境对测量结果有一定的干扰,为了能有效地去除环境干扰和其他模态的影响,使测试数据可靠,采用跟踪滤波、平均和模态识别技术,大大提高测试数据的精度和可靠性。     

竖向动荷载作用下端承型群桩动力相互作用解析解

基于平面应变假定,建立了考虑被动桩散射效应的桩–土–桩竖向耦合振动响应分析计算模型。依托该计算模型,首先求解土体控制方程,得到桩周土纵向位移表达式、桩周土纵向复阻抗以及土体位移衰减函数,然后基于严格的桩–土耦合作用,求解外荷载作用下的主动桩位移和由主动桩振动产生的被动桩位移,并求出由被动桩振动产生的主动桩位移,由此得到考虑被动桩散射效应的桩–桩动力相互作用因子。基于求得的修正桩–桩动力相互作用因子,建立考虑被动桩散射效应的群桩竖向动力刚度矩阵,结合桩帽性质及叠加原理,推导得到竖向动荷载作用下的群桩竖向动力响应解析解。基于所得解进行算例分析表明：退化解与已有文献解吻合很好,验证了解的合理性;被动桩的散射效应对小间距群桩的振动响应有不可忽视的影响;桩间距和桩长径比对桩–桩动力相互作用因子、群桩竖向动阻抗有显著影响。     

预应力管桩桩-土动力p-y曲线研究

通过有限元软件ABAQUS建立以振动台试验为基础的数值模型来研究桩-土水平位移的变化规律。并使用P-Y曲线法分别对预应力管桩在不同加速度峰值、不同桩型以及不同土体类别的条件下桩与土的变形进行了研究。研究表明,随着地震加速度峰值的增大,淤泥质粘土地区的桩侧土体以及桩身都会提前出现破坏。两桩、三桩、四桩桩身水平位移随着水平荷载的增大变化较单桩变化大,在相同水平地震荷载作用下,桩数越多,水平位移变化越大,其中三桩和四桩位移变化规律接近,四桩具有承受较强地震荷载的受力性能,体现了群桩受力的优势。     

组合荷载作用下斜坡上桩基础水平承载特性研究

斜坡上桩基础不仅要承担上部建筑物传递下来的竖向荷载,还要承担斜坡传递下来的土压力等水平荷载,构成了复杂的桩-土相互作用体系。为研究斜坡上桩基础在竖向和弯矩荷载作用下的水平承载特性,通过自行设计的组合荷载加载装置,开展了四种工况下斜坡上单桩室内模型试验。分析在组合荷载作用下桩顶沉降、水平位移、桩身弯矩、桩侧土压力以及地基比例系数m值变化规律。试验结果表明:在桩顶施加竖向荷载有利于提高单桩的水平承载力,减小桩身的水平位移、弯矩和桩前侧土压力;在桩顶施加弯矩荷载-不利于单桩的水平承载力,随着弯矩作用的增加,相同水平荷载作用下,桩身水平位移和桩前侧土压力明显增加,而水平荷载对桩顶的竖向沉降影响较小;地基比例系数不仅与桩周土体有关,还与施加的荷载类型和桩土交界处的水平位移有关,地基比例系数随桩土交界处水平位移的增加迅速减小,最后趋近于稳定。     

自重对单桩竖向抗压刚度的影响

本文以荷载传递法和剪切位移法为基础，推导了自重条件下桩顶荷载与沉降的关系，分析了重力对单桩竖向抗压刚度的影响，认为重力作用下单桩竖向抗压刚度与桩侧土模量、桩身材料模量、泊松比等因素有关。与静载试验数据对比，考虑自重的单桩竖向抗压刚度与实测值更为接近。采用有限单元法模拟了实际工况，数值计算与理论推导具有一致性。     

SSI效应对隔震结构的地震响应及损伤影响分析

基于弹性地基梁理论和波动理论计算群桩-土地基对上部结构的动力阻抗,进而研究桩土-结构动力相互作用对高层隔震结构地震响应及非线性损伤的影响。首先计算桩周地基水平刚度系数,采用改良的Penzien模型将群桩等效为单桩,考虑一定桩长范围计算桩头的水平刚度,同时根据结构振动频率与地基基本频率的大小关系,考虑地基材料阻尼和辐射阻尼的影响。以某高层隔震工程为例,根据实际桩布置及土层分布情况计算地基阻抗,利用等效线性化模型对结构进行反应谱分析,计算结构隔震前后SSI效应对其动力响应的影响,再利用三维非线性损伤模型分析SSI效应对结构主要构件损伤的影响。计算结果表明,随着结构层数的增加,SSI效应的影响减小,考虑SSI效应会使隔震层位移和隔震支座面压利用率提高,而对隔震层上部结构的层间位移基本没有影响;考虑SSI效应后结构连梁的损伤减小,而框架柱和剪力墙这些竖向构件损伤增加;长周期地震动作用下结构的SSI效应更显著。     

砂土中竖向和弯矩荷载下单桩水平承载特性试验研究

 为研究单桩在桩顶预先施加竖向和弯矩荷载下的水平承载特性,通过自行加工的组合荷载加载装置,进行一系列室内单桩模型试验,分析砂土中预先施加的不同竖向和弯矩荷载对单桩水平荷载下的水平位移、桩顶转角、桩身弯矩以及地基比例系数m值的影响。试验结果表明：当预先施加的竖向荷载小于单桩竖向极限承载力的一半(Vu/2)时,相同水平荷载下单桩的水平位移有所减小,单桩的水平极限承载力得到提高,桩身最大弯矩有所减小,并且竖向荷载越大,越有利于单桩的水平承载性能;弯矩荷载的存在不利于单桩的水平承载能力,显著降低单桩的水平极限承载力;另外,水平荷载的施加对单桩的竖向位移影响较小;当砂面处水平位移较小时,m值随着水平位移的增加迅速降低,当水平位移增加到一定程度,m值减小的幅度越来越小,最后趋于一个稳定值。     

考虑土体真三维波动效应时桩的振动理论及对近似理论的校核

从三维轴对称土体模型出发,同时考虑土体径向和竖向位移,对完整端承桩在垂直谐和激振力作用下与土的耦合振动特性进行了分析。假定桩为竖直弹性等截面体,土为线性粘弹性体,其材料阻尼为滞回阻尼。首先通过引入势函数对土体位移进行分解,将土体动力平衡方程解耦并求解,得到土层的振动模态形式和阻抗因子;然后利用该解以小应变条件下桩土接触面上力平衡和位移连续条件来考虑桩土耦合作用,求解桩的动力平衡方程,得到桩的频域响应解析解,进而得到土层局部复刚度和桩顶复刚度。从土层阻抗因子、土层局部复刚度和桩顶复刚度3方面,将所得解与平面应变解和其他忽略土体径向位移的简化解在主要影响参数变化情况下进行比较,研究表明,不同解在硬土、细长桩并处于低频时有较大差别,随激振频率的提高,它们将趋于一致。     

Pasternak层状地基中群桩水平动力响应解析解答

基于Pasternak地基和Euler梁振动理论，提出了一种能考虑轴向荷载影响的单桩水平振动简化分析力学模型，建立了层状地基中桩-土耦合作用下单桩水平振动控制方程；采用微分变换的方法对方程解耦，进一步结合桩-土边界连续条件求出单桩水平位移、转角及内力解析解答。然后，考虑主动桩Ⅰ振动引起被动桩Ⅱ的动态位移，建立被动桩Ⅱ的水平振动控制方程，求解得到被动桩Ⅱ的响应解析解答，依据动力相互作用因子定义进一步求得桩-桩水平动力相互作用因子。最后，利用叠加原理求得群桩水平动力阻抗，并与已有相关解析解进行退化对比验证其合理性。在此基础上，通过参数化分析探讨了地基剪切系数、布桩类型、桩距径比、轴向特征参数对群桩水平阻抗以及桩顶反力分布、桩身内力分布的影响规律，可为实际工程群桩桩基设计提供理论指导和参考作用。     

考虑竖向荷载影响的非饱和地基中桩的水平振动

研究考虑竖向荷载影响的非饱和地基中桩的水平振动问题。首先,在考虑竖向荷载影响的情况下基于Timoshenko梁模型和三维多孔连续介质理论建立非饱和土–桩耦合振动模型,然后通过直接求解法、分离变量法和桩土边界条件求得桩体的水平位移、转角、弯矩和剪力以及桩顶动力复阻抗的解析解,将本文退化解与已有理论解进行对比,验证提出模型的正确性;通过与Euler梁模型下振动解的对比,进一步分析竖向荷载和桩顶承台质量对桩体动力响应变化规律的影响,研究结果表明：(1)竖向荷载仅对桩顶水平动力阻抗的刚度因子存在显著影响,不会引起共振频率的变化但是会使得共振频率下对应的阻抗极小值降低;(2)采用Euler梁模型计算得到的复阻抗始终更大,但出于安全考虑应该优先采用结果偏小的Timoshenko梁模型;(3)当竖向荷载增加时,桩顶处的水平位移、桩身中上部的转角以及桩身中下部的弯矩、剪力均略微增大,可能威胁结构安全;(4)考虑桩顶承台质量时,桩体动力响应有一定程度的减小。     

饱和土层中组合圆柱桩的轴对称竖向振动

应用弹性理论和饱和多孔介质理论,将组合圆柱桩和饱和土层分别视为弹性介质和饱和黏弹性介质,考虑组合桩的径向变形以及饱和土层对组合桩身的水平径向力作用,研究饱和黏弹性土层中端承弹性组合圆柱桩的竖向稳态振动。在频率域得到组合圆柱桩竖向振动的轴对称解析解以及桩头复动力刚度的解析表达式,给出组合圆柱桩桩头动刚度因子和等效阻尼随激励频率的响应曲线,考察饱和土物性参数、模量比、桩长径比以及组合桩的内外径比等参数对桩头动刚度因子和等效阻尼的影响。结果表明:虽然组合圆柱桩精确轴对称解的桩头静刚度与经典Euler杆模型桩的桩头静刚度几乎相等,但是对于短粗组合圆柱桩,其轴对称模型动刚度因子和等效阻尼的幅值小于经典Euler杆模型桩的相应结果。并且,组合圆柱桩的内外径比对其动刚度因子和等效阻尼有显著影响。     

复杂荷载及边界条件下基桩有限杆单元方法研究

基于传统有限杆单元法并假定桩身位移为三次幂函数,结合倾斜偏心荷载下单桩受力微分方程确定的桩身弯矩、剪力与桩身水平位移关系,导得了具有简洁统一形式、计入P-Δ效应的杆单元刚度矩阵,由此得出成层地基中倾斜偏心荷载、桩自重、水平分布荷载、竖向分布荷载和竖向分散集中荷载综合作用下考虑桩身倾斜影响基桩内力位移分析的改进有限杆单元法。利用本文改进有限杆单元Matlab分析程序,结合某具体实例,对不同边界条件下基桩内力及位移进行了计算分析。结果表明:改进有限杆单元方法用于复杂荷载及各种边界条件下基桩计算分析是有效的,且桩顶边界条件对桩身内力位移影响显著,而桩端边界条件对桩身内力位移影响较小。     

长期竖向循环荷载作用下黄土中单桩沉降特性模型试验研究

长期竖向循环荷载作用下单桩的沉降特性与静载情况下明显不同,通过黄土及饱和黄土中单桩的竖向循环荷载试验,分析了循环荷载作用下单桩的累积位移发展模式,研究了桩顶位移s及循环位移幅值c?随循环次数N的变化规律。试验发现:黄土饱和后单桩的承载力明显下降;饱和前后单桩循环荷载试验的s–N曲线都可采用幂函数进行描述;相同荷载大小时,饱和前单桩的循环荷载位移小于静载位移,循环位移比(循环荷载位移与静载位移的比值)介于0.6与0.8之间,而饱和后单桩的循环荷载位移明显大于静载位移,且循环位移比随循环荷载比线性增长;饱和前单桩的循环位移幅值明显大于饱和后的位移幅值,主要受循环荷载幅值及桩周土性质的影响。     

部分埋入群桩的竖向振动特性

采用动力Winkler动力梁模型,由传递矩阵法推导了部分埋入单桩竖向振动的计算公式;充分考虑了被动桩与土体的共同作用,基于桩–桩相互作用因子的叠加法,建立了部分埋入群桩的动力模型。通过参数(埋入比L1/L2、桩间距s/d和激振频率f)探讨,得到了匀质半空间和层状地基中常见部分埋入群桩的动力特性变化规律:①埋入比的增大会显著的降低单桩和群桩的阻抗;②部分埋入桩的存在会降低桩–桩相互作用,从而进一步消弱群桩的空间协同工作的能力;③部分埋入桩对于群桩基础的低频动力响应影响不大,但随着频率的提高而日益显著。然后,本文的退化解与现场实测结果和试验数据进行了比较。最后,本方法被用于分析某海上风力发电机组群桩基础的幅频曲线,并指出了其动力响应与完全埋入群桩的差异,为工程设计提供参考。