桩-土水平弹簧系数对桥梁地震反应影响的参数分析

集中参数法是目前土木工程抗震计算中考虑桩土地震相互作用的实用方法。从有限元方法的角度来看,集中参数方法将地层半无限空间模型化为一个无几何尺度的抽象的力学单元,这里称其为宏单元,其计算模型的选用和参数确定直接影响计算结果的精度。针对不同的地震动输入和工程中各种常见的土层,基于考虑土体非线性的Boulanger宏单元,m法和Mindlin解等三种桩—土水平弹簧模型,进行了详尽的参数分析工作,旨在说明对桥梁地震反应影响很大的桩-土水平弹簧系数的取值问题。     

基于T-P模型的桩-桩水平振动相互作用研究

为精确揭示桩-土动力相互作用,弥补动力Winkler地基-Bernoulli-Euler梁模型(E-W模型)在桩-桩水平振动分析中的不足。考虑土体剪切效应和桩身剪切变形,建立Pasternak-Timoshenko模型(T-P模型)模拟桩-土动力相互作用,推导水平动力和竖向荷载共同作用下的主动桩水平振动解析解。在此基础上,根据桩-桩动力相互作用原理,建立被动桩水平振动控制方程,运用传递矩阵法考虑土体分层特性,利用初参数法计算桩-桩动力相互作用因子;与已有文献进行对比,验证计算结果的正确性。通过参数分析表明：土体剪切效应对水平动力相互作用因子有增强效果;在给定桩土参数的情况下,主动桩和被动桩存在“有效桩长”(Ld=10d～15d);当桩身长径比在L/d=5～10范围内时,不宜忽略桩身剪切变形对动力相互作用因子的影响;竖向荷载对水平-摇摆耦合作用因子的影响最为显著。     

基于矩阵位移法的桩锚结构分析方法

采用将桩锚结构视为荷载作用-侧向弹簧支承的连续梁模型,支护桩为直立的弹性地基梁,主动土体转换为土压力,锚杆简化成为可逐步施加的弹簧支承,而被动土体则用侧向支承的土体弹簧替代.土体弹簧的刚度K是通过半无限大弹性空间内部水平荷载作用下的Mindlin 解来确定,这种方法降低了因深度加深而带来弹簧刚度的增长率,更加符合实际情况.针对这种弹性地基梁模型,提出了以矩阵分析为手段的计算方法,该法优点在于将桩锚视为桩-锚-土三者协同作用的支护结构,同时在计算过程中充分考虑了基坑分步开挖的施工过程对支护桩、锚杆以及被动土体的变形影响.通过实例分析表明:矩阵位移法为桩锚结构设计提供了一种合理、有效的计算方法.     

分数导数微分算子描述的粘弹性土层中群桩的水平振动研究

将桩周土体视为粘弹性介质,利用分数导数粘弹性模型描述土体的力学特性,在Novak 平面应变假定的基础上,借助于势函数并考虑土体边界条件求得了分数导数微分算子描述的粘弹性土层水平位移的衰减函数以及分数导数粘弹性土层的刚度和阻尼系数。利用Winkler 动力弹簧-阻尼器模型模拟桩-土之间的动力相互作用,并在此基础上利用初始参数法求解了分数导数粘弹性土层中桩-桩水平动力相互作用和群桩的水平振动问题。以数值算例的形式讨论了分数导数微分算子的阶数和土体的模型参数对分数导数微分算子描述的粘弹性土层水平位移的衰减函数和群桩的水平动力阻抗的影响。研究表明:分数导数微分算子的阶数对土层水平位移的衰减函数的影响与桩间距和荷载方向角有关;分数导数粘弹性土中群桩的动力阻抗可以退化到经典粘弹性和弹性情况;分数导数微分算子的阶数和土体模型参数对群桩水平动力阻抗有较大影响。     

高层主裙楼变厚度桩筏基础数值试验

 提供了一种桩-土-筏相互作用的计算模型，将筏板下的桩、土看成弹簧作用在筏板上，简化得到了软弱地基群桩应力和沉降等效分析模型，提出了一种群桩中单桩沉降的计算方法，建立了群桩中单桩非线性刚度的计算模型，并采用三维退化层合单元法对高层建筑主裙楼桩筏基础进行分析．     

非线性桩-土作用对车桥耦合振动的影响研究

该文基于文克尔地基梁理论,利用修正的P-Y曲线法和荷载传递双曲线法,建立了桩-土非线性作用模型。采用了桩和土相对刚度来计算水平方向桩-土相互作用的初始刚度。通过Mohr-Coulomb法则得到土的极限抗力,并结合Matlock P-Y曲线法对极限抗力的表达式进行了修正,从而充分考虑了土的极限抗力的深度效应。编制了桩-土非线性梁单元有限元程序,建立了考虑非线性桩-土相互作用的车桥耦合模型。结合工程实例,分析了非线性桩-土相互作用的桥梁模型对车桥耦合响应的影响,并与墩底固结模型进行了对比。结果表明：在车桥耦合振动过程中,考虑非线性的桩-土相互作用,桥梁的横向位移幅值显著增大,竖向位移幅值增大,桥梁加速度幅值降低。此结果对处于软弱基础的高速铁路桥梁的分析和设计提供了参数和依据。     

考虑桩土非完全粘结及桩底土波动效应的浮承桩纵向振动特性研究

为合理考虑浮承桩纵向振动问题中桩端土作用及桩-土界面相对位移条件,同时引入动力Winkler模型和虚土桩模型,建立了一种适用性更广的浮承桩纵向振动特性研究方法。引入分离变量法对三维土体位移控制方程进行求解,结合土体表面及基岩处边界条件得到三维土体位移基本解;通过将动力Winkler模型相关参数考虑为桩-土界面边界条件在频域内解析求解了桩纵向振动特性,并将所得频域解析解拓展到时域,采用离散傅里叶逆变换方法（IFT）求解了桩顶速度时域响应;开展参数化分析探讨了桩-土界面非完全粘结条件及虚土桩参数对浮承桩动力响应的影响,计算结果表明：桩-土界面完全耦合假定会过高估计桩侧土对桩的约束作用,无法合理评估桩基的抗振性能,并会对桩基抗振防振设计及桩底反射信号识别产生不利影响;另外,针对浮承桩纵向振动问题,采用虚土桩模型描述其桩底土作用具有合理性和必要性。     

考虑桩周饱和土扰动效应的楔形桩水平振动阻抗

为了计算考虑桩周土扰动效应下的楔形桩水平振动阻抗,将薄层饱和土径向离散,利用Biot波动理论建立饱和土的复刚度传递多圈层水平振动平面应变模型,计算径向非均质的桩周土对桩身的水平动反力;将楔形桩轴向离散,基于Timoshenko梁理论建立考虑桩身剪切振动效应的横向振动微分方程,利用传递矩阵法推导桩顶水平振动阻抗的半解析解。对考虑饱和土扰动效应下楔形桩水平振动阻抗的影响因素进行了参数化分析,研究表明：在低频激振下增大楔形角能提高桩顶的水平阻抗,且随着振动频率的提高,增大楔形角会增强阻抗的频率依赖性;在低频激振下桩周土弱化会降低楔形桩的水平阻抗,且随着振动频率的提高,弱化效应会提高阻抗的共振幅值;对于如砂砾、粗砂、细砂等渗透系数较大的饱和土应考虑土体中流体惯性效应对楔形水平振动阻抗的影响;对于桩身长径比小且高频振动的楔形桩,有必要采用可以考虑桩身转动惯量及剪切效应的Timoshenko梁模型描述桩身水平振动。     

成层液化场地条件下单桩振动分析

将层状土中桩基振动相关理论扩展应用到考虑土层液化的桩基振动的研究,借助于Winkler弹簧-阻尼器模型描述液化土和非液化土与桩基之间的动力相互作用,利用初参法和传递矩阵法得到了地震激励作用下考虑土层液化的桩基桩顶位移放大因子。结果表明,液化后的土层软化系数、土层厚度、桩身抗弯刚度和桩身线质量密度等对考虑液化的桩基振动特性有较大的影响。     

单桩横向非线性动力响应的简化分析模型

根据迟滞非线性系统随机振动的基本理论,在动力Winkler地基梁模型的基础上,提出了一个新的研究单桩横向非线性动力响应的一维简化分析模型。其中,桩周土对单桩的横向非线性作用力由连续分布的非线性退化迟滞弹簧模拟,而运动过程中的能量耗散,则由与非线性弹簧并联的、频率相关的粘壶表示。该模型能够反映单桩非线性行为的主要特征,并可以揭示各种非线性因素,如,桩周土的迟滞效应、桩周土力学性能的退化、桩周土的屈服、桩土界面分离等,对单桩动力响应的影响。该模型采用的计算参数,可以由实际桩土系统的物理参数、被广泛采用的设计规范和经验公式加以确定。计算结果表明,该模型可以较好地模拟各种单桩土系统的横向非线性动力学响应。     

黏弹性地基中基于虚土桩模型的桩顶纵向振动阻抗研究

基于虚土桩模型,对均质粘弹性地基中桩土纵向耦合振动问题进行了研究。首先,假定桩侧土为各向同性的线性粘弹性材料,并考虑土体的竖向波动效应,结合Euler-Bernoulli杆件理论,建立了桩土纵向耦合振动的定解问题;其次,采用分离变量法求解桩侧土纵向振动的控制方程,得到了桩侧土与桩身接触面上的剪切动刚度,将所得的剪切动刚度代入到桩身振动控制方程,采用Laplace变换技术,进一步求得了任意荷载作用下桩顶纵向振动阻抗的解析解。基于所得解,详细讨论了不同桩身设计参数时桩端土厚度对桩顶纵向振动阻抗的影响。最后,将虚土桩模型与其他桩端土支承模型进行了对比研究,结果表明,对虚土桩模型选用合适的材料参数和桩端土厚度,其得到的桩端支承复刚度值介于现有多种模型的计算值之间。     

双向增强体复合地基桩土应力比计算

针对竖向增强体-水平增强体-桩间土的整体相互作用特点,将水平向加筋垫层视为具有一定刚度的板,竖向桩体及桩间土简化为刚度不同的弹簧系列。以单个竖向桩体影响范围内的复合地基作为典型单元体进行分析,基于Winkler弹性地基圆板理论推导出水平加筋体的挠曲函数表达式,导出双向增强体复合地基桩土应力比计算式。最后对某工程算例进行计算分析,对路堤荷载大小、工后沉降值、面积置换率、桩土刚度比进行了参数研究,并探讨了桩土应力比随其主要影响因素的变化规律,计算与实测结果吻合较好。     

饱和土中部分土塞部分外露管桩的水平动力阻抗

为了考虑管桩的部分土塞效应,将管桩划分为土塞部分和未考虑土塞部分,同时考虑外露部分管桩的影响,建立了部分土塞部分外露管桩的水平振动模型。在忽略管桩纵向位移的情况下,将桩周饱和土视为由无穷多带一圆孔的薄土层组成,而桩芯土视为由无穷多圆形薄土层组成,运用数学物理手段求得了桩周饱和土和桩芯饱和土对管桩的水平动力作用,在此基础上,借助初参数法和矩阵传递法求解了饱和土中部分土塞部分外露管桩的水平振动,得到了管桩的水平动力阻抗。通过数值分析可知,管桩壁厚、管桩各段长度、管桩长径比、管桩与桩周饱和土模量比对饱和土中部分土塞部分外露管桩的水平振动有较大的影响,且管桩壁厚的影响与频率有关;研究管桩水平动力阻抗时土塞效应不应被忽略。     

考虑附加抗力影响的单桩水平受力分析方法

单桩基础受水平荷载作用时,桩身截面转动引起的竖向摩阻力形成土对桩的附加抗力矩,同时桩端土对桩也有一定的附加抗力效应。为了研究桩身和桩端附加抗力对单桩水平承载特性的影响,该文基于API规范推荐的砂土摩阻力模型,结合桩身径向土压力引起的极限摩阻力增强效应,推导出砂土中桩身抗力矩的离散数值解和简化公式解;采用API规范推荐的黏性土摩阻力模型,推导出黏性土中桩身抗力矩的离散数值解和简化公式解。基于双曲线桩端竖向应力-位移模型,在考虑桩端桩-土界面脱开效应的基础上,得到了桩端抗力矩的离散数值解和简化公式解,桩端水平剪力的离散数值解;进而提出基于Winkler地基梁模型的有限元计算方法,并编制了程序。通过对比试验数据,初步验证了该文方法的正确性,进行了水平承载力的参数分析,结果表明:随着长径比的增加,附加抗力在总水平承载力中的占比逐渐减小;而随着桩直径的增加,附加抗力在总水平承载力中的占比并未显著变化。     

超前微桩复合土钉支护稳定及变形简化计算方法

超前微桩复合土钉支护是一种经济有效的基坑支护形式, 但对其设计分析方法的研究远落后于工程实践。该文在对此种复合土钉支护的构造及工作性能进行简要分析的基础上, 对其整体稳定验算方法和变形计算方法进行讨论, 借鉴已有的一些相关研究提出了相应的简化计算方法。针对其整体稳定验算, 提出考虑微桩-土相对刚度采用不大于2.5倍特征长度上土体被动抗力来考虑微桩作用的建议, 从而给出一种较为简便的整体稳定验算方法, 就一些实际工程的计算对比表明所建议的方法合理可行。针对其坑壁位移计算, 在仔细分析此种支护体系受力变形机理的基础上, 基于基坑支护计算的增量法及弹性地基梁求解的链杆法, 提出一种思路清晰的简化计算方法, 给出了具体的计算模型、参数确定方法及问题求解方法, 并通过与有限元计算及工程实测的对比对所提出的方法进行了检验。     

桩土动力分析中二维接触模型的研究

根据桩土动力相互作用中的接触界面特性,提出了考虑桩土分离、滑移以及桩基提离效应的二维接触模型的本构行为,推导了其相应的单元刚度矩阵,同时引入阻尼成分考虑了桩土动力相互作用中部分能量的耗散问题,并研究了二维接触单元的厚度选择。通过算例分析,得出在中小地震作用下应用接触模型计算得到的上部结构的加速度反应、水平位移反应都较Goodman接触单元有不同程度的降低,且强震作用下的接触模型反映出了桩土动力相互作用中的桩土分离、滑移以及桩基提离效应。     

基于应变路径法的黏土中水平受荷桩p-y曲线

近年来,我国城市的基础设施建设规模不断扩大,桩基础是基础设施建设中常用的基础形式,其水平承载特性的分析计算是桩基设计中的重要问题。基于Vesic圆孔扩张理论,分析了水平荷载作用下桩侧土体的实际受力状态,推导了基于应力增量的桩侧土抗力的计算公式,进而提出了考虑摩擦效应的桩土相互作用的计算方法;并基于MATLAB编写了相应的分析程序,通过开展案例分析,验证了该计算方法的有效性;最后基于所建立的桩基水平承载力的力学模型,探讨了荷载、桩径等因素对水平受荷桩的承载特性的影响规律。     

考虑桩-土相互作用的连续刚构桥车桥耦合振动分析

针对某高速铁路上一座位于软弱地基处的连续刚构桥,为研究考虑桩-土相互作用对上部结构和车辆动力响应的准确影响,避免由于桩顶横向位移和弯曲的耦合作用带来的误差,建立包含桩基础的整体桥梁模型(全桩模型),对比以往常用的墩底固结模型和在承台底施加弹簧约束的模型(等效刚度模型)。计算分析了三种模型的自振特性,使用桥梁动力分析程序BDAP V2.0分别进行动力仿真分析。对比分析表明：考虑桩-土相互作用对桥梁横向振动有较大影响,其中横向动位移显著增大,最大误差达31%,而横向加速度降低;全桩模型由于考虑了桩土相互作用以及横向位移和弯曲的耦合作用,比墩底固结模型和等效刚度模型要合理;高速铁路桥梁位于软弱地基处且具有高桩承台时,应采用考虑桩-土-上部结构动力相互作用的有限元模型进行车桥动力仿真分析。     

单桩竖向动力阻抗计算方法及其影响因素分析

运用土动力学和结构动力学原理，改进Winkler地基梁模型，考虑桩周土的弱化效应和桩-土界面的相对滑移效应，建立了竖向荷载作用下单桩动力阻抗函数的计算力学模型，运用数理方程方法分别求解单桩与桩周近场土域及远场土域的振动方程，确定了单桩的竖向动力阻抗函数。针对数值算例进行计算，将得到的单桩竖向动力阻抗随激振频率的变化关系与现有的数值计算和分析结果进行对比，验证了建议计算方法的合理性；并通过变动参数计算，对影响桩基振动特性的各相关因素进行了比较分析。     

层状地基中基于虚土桩模型的单桩沉降计算方法

基于虚土桩模型及荷载传递法,针对理想弹塑性荷载传递函数,推导了均质地基中以桩侧土塑性发展深度为变量的桩顶荷载-沉降曲线计算方法,且进一步利用递推方法将其推广到层状地基中并给出了桩身轴力及桩侧摩阻力的计算方法。在此基础上,给出了荷载传递模型参数的选取方法并分析了虚土桩计算长度的影响因素及取值方法。然后,利用该算法分析了桩及虚土桩压缩模量对荷载-沉降曲线的影响。最后,结合工程实测数据,对比了计算荷载-沉降曲线、实测曲线和由规范方法得到的荷载-沉降曲线,结果表明:在一定的荷载范围内,采用基于虚土桩模型的单桩沉降计算方法计算得到的桩顶沉降值与实测值较为吻合,实际工程应用优于规范法。