考虑桩身横向惯性效应和桩周土竖向支承作用的楔形管桩纵向振动特性

该文研究考虑桩身横向惯性效应和桩周土竖向支承作用的楔形管桩纵向振动特性。首先,根据楔形管桩特殊的桩身结构和桩周土的成层性,将桩-土系统沿纵向划分为若干微元段,采用Voigt体模型模拟桩周土对楔形管桩桩段的竖向支承作用;基于考虑土体竖向波动效应的三维轴对称模型建立桩周土纵向振动控制方程并求解,得到桩-土之间的侧摩阻力;然后,基于Rayleigh-Love杆模型建立桩的纵向振动控制方程以考虑其横向惯性效应,求解桩的振动控制方程并结合Laplace变换和阻抗函数递推,得到考虑桩周土竖向支承作用的桩顶复阻抗和速度导纳解析解,进一步地,通过卷积定理和Fourier逆变换得到桩顶时域响应半解析解;最后,通过与已有解的对比验证了该文解的合理性,并通过参数分析的方法研究了桩身横向惯性效应、桩周土竖向支承作用及桩身参数对桩顶动力特性的影响。     

静钻根植竹节桩竖向动力响应研究

基于桩周土径向非均质的平面应变模型,研究静钻根植竹节桩的纵向振动桩顶响应问题。使用剪切复刚度传递方法,得到桩侧剪切复刚度;根据桩身竹节特性,将桩土体系沿纵向划分为有限个微元段,并采用虚土桩模型模拟桩底土对桩端的支承作用;利用拉普拉斯变换和阻抗函数递推方法,同时考虑到桩身的横向惯性效应,利用卷积定理和傅里叶变换,求得瞬态激振力作用下桩顶速度响应的半解析解;在此基础上,对该解进行了合理性验证,与退化解和工程实测曲线进行了对比。最后,分析了竹节半径和间距、桩周水泥土参数及其渗透区域范围、水泥土纵向不均匀性等因素对桩顶动力响应的影响,提出了在静钻根植竹节桩低应变完整性测试中应该注意的相关问题。     

非均质土中不同缺陷管桩纵向振动特性研究

基于复刚度传递径向多圈层平面应变模型,采用黏性阻尼模型描述桩周土材料阻尼,考虑地基土纵向成层特性,建立径向非均质、纵向成层土中变截面和变模量管桩纵向振动简化分析模型,采用Laplace变换和复刚度传递方法,递推得出桩周、桩芯土体与管桩桩体界面处复刚度,进而利用桩土完全耦合条件和阻抗函数传递性,推导得到变模量和变截面管桩桩顶动力阻抗解析解答,并与已有相关解析解进行退化验证其合理性;通过进一步参数化分析探讨了桩身变模量段、缩颈、扩径及变模量、变截面位置对管桩纵向振动动力响应特性的影响规律,可为具体工程实践提供理论指导和参考作用。     

考虑径向波动效应的黏弹性支承桩纵向振动阻抗研究

基于桩体三维轴对称模型考虑其径向波动效应,将桩及桩周土分别视为弹性和黏弹性连续介质,建立了三维轴对称桩-土耦合系统纵向振动分析模型。具体采用分离变量法分别求得桩身及桩周土位移基本解,进而利用桩土完全耦合条件推导得出频域内桩顶动力阻抗解析解答,并将所得解析解与已有解答进行比较验证其合理性。在此基础上,通过进一步参数化分析探讨了桩底支撑刚度系数、桩身径向波动效应及桩长对桩顶动力阻抗的影响规律。结果表明:当桩身长径比较小时,采用Rayleigh-Love杆模型近似考虑桩身三维波动效应误差较大,此时采用三维轴对称桩体模型和所得相关解析解答更能合理考虑桩身径向波动效应的影响。     

双向非均质黏性阻尼土中桩基扭转振动频域阻抗解答与分析

基于三维连续黏性阻尼介质理论和径向多圈层复刚度传递模型,综合考虑桩周土径向非均质效应和纵向成层性,建立双向非均质土体中桩基扭转振动简化分析模型。采用拉普拉斯变换和复刚度传递法求解得出土体位移形式解,进而利用桩-土耦合条件将该形式解耦合进桩身动力平衡方程中,并通过扭转阻抗传递法推导得出桩顶扭转阻抗解析解答。将该解退化并分别与均质土及径向非均质土中的解答进行对比验证其合理性。在此基础上,通过参数化分析探讨了桩周土施工扰动程度和扰动范围、扩颈及缩颈缺陷对桩顶扭转阻抗的影响规律,可为具体工程实践提供理论指导和参考作用。     

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。     

基于严格平面应变模型的土中群桩水平振动研究

假设桩周土符合Novak严格平面应变模型,在波的传播理论的基础上,通过引入势函数的方法,对土层水平振动问题进行了求解,得到了土层波动水平位移的衰减函数以及土层水平动刚度和动阻尼。在此基础上,利用初始参数法研究了桩-土-桩水平动力相互作用和群桩水平振动,并与Gazetas和Dobry近似平面应变模型进行了对比。研究表明:桩距和荷载作用角对两种模型得到的水平动力相互作用因子影响较大,桩间距对水平动力相互作用因子和群桩水平动力阻抗有较大影响。     

非线性土中单桩竖向动力特性分析

在Novak边界层模型基础上,将桩周土分为非线性粘弹性内域和线性粘弹性外域,采用随内域平均应变减小的剪切模量和增长的材料迟滞阻尼比近似考虑内域的非线性粘弹性,采用等效线性方法对端承桩与三维土层的竖向耦合振动进行了研究,得到了非线性土中单桩竖向动力阻抗函数。对动力特性进行算例分析,讨论了内域土非线性、桩长细比、桩-土刚度关系和密度比、材料阻尼、激振荷载幅值等因素对非线性土中单桩竖向动刚度和阻尼的影响,对进一步研究桩-土-结构动力相互作用机理具有理论价值和实践意义。     

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。     

瑞利波作用下径向非匀质地基中的单桩竖向响应研究

在单桩动力响应简化算法研究的基础上，提出了一个用于计算瑞利波激励下的单桩竖向动力响应的简化解析方法，得到了桩底固支时单桩竖向动力位移分布的闭合解。采用考虑桩周土的非匀质性的Novak薄层法计算地基土动力阻抗的方法，获得桩底固支时单桩竖向动力响应的计算公式。分析结果表明非匀质区刚度与匀质区刚度比、非匀质区大小对单桩竖向动力位移响应有一定影响。     

竖向地震作用下结构—群桩—土相互作用

本文基于桩—土—桩动力相互作用原理,将群桩的动力问题化为群桩中每两根桩的动力问题,使分析得到简化。在群桩阻抗函数的推导中引入了桩周软化土域,以近似考虑桩周土的非线性影响。推导针对端承桩及摩擦桩两种情形。编制了专用计算程序VRSPS,进行了参数影响计算及工程实例计算。     

桩—土体系运动相互作用参数分析

本文采用连续介质力学方法对桩－土运动相互作用进行了研究，主要研究运动相互作用对基础输入运动的影响，首先建立连续介质力学模型，从波动理论出发，求解满足边界条件的波动方程，获得桩周土的位移和应力表达式，进而求得桩周土反力与桩的动位移间的相互关系，并对桩的阻抗系数与桩身刚度对桩头加速度响应的影响进行了研究。结果表明，运动相互作用引起的基础输入运动小于自由场的控制运动。     

径向软化成层土中单桩风机水平振动特性研究

基于多圈层平面应变土体水平振动模型,得到桩周土体径向软化水平动刚度的解析解。在此基础上,建立径向非均质成层土中桩基水平振动模型,利用传递矩阵法得到桩顶动刚度阵,采用等效固定梁模型将桩土系统耦合到风机仿真软件FAST 8中,对桩周土径向软化对风、波浪荷载作用下单桩风机水平动力响应的影响进行研究。结果表明:桩周土软化对桩顶动刚度影响显著,当土体模量衰减系数为0.25时,与均质土相比桩顶水平刚度降低28.66%;随桩周土模量衰减系数的减小,与均质土相比风机系统的1阶和2阶自振频率分别降低13.08%和16.67%;风机塔顶位移、转角的时程和谱响应表明桩周土土体模量衰减系数为0.25时,塔顶位移和转角的方差与均质土分别相差2.68%和1.37%,位移和转角响应谱峰值约为均质土的2.77倍和2.69倍。     

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。     

瑞利波作用下考虑桩土相互作用的单桩竖向动力响应计算研究

在前人对瑞利波作用下考虑桩土相互作用的单桩动力响应简化算法研究的基础上,将采用Novak薄层法计算地基土动力阻抗的方法引入到该领域的研究中,得到了单桩竖向动力响应的计算公式。在此计算公式的基础上分析了长径比、桩土刚度比、地基土的泊松比对单桩竖向响应的影响,并与原简化公式的结果进行了对比。     

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。     

饱和土中桩-桩竖向动力相互作用及群桩竖向振动

由于饱和土中孔隙水的流动特性以及桩基与土体的不同渗透率,饱和土与单相土中桩基的力学行为,尤其是动力学行为存在很大差异。运用Novak薄层法和引入势函数的方法,得到了饱和土层的竖向动力阻抗和自由场竖向位移衰减函数,在此基础上研究了饱和土中桩-桩的竖向动力相互作用及群桩的竖向动力阻抗问题。分析讨论了桩土力学参数对饱和土中群桩竖向动力阻抗的影响。研究表明:桩间距、液固耦合系数、桩土模量比等参数对桩-桩竖向相互作用和群桩竖向动力阻抗有影响,研究成果对于桩基动力检测和抗震设计具有较大的实际应用价值。     

分数导数描述的层状饱和土中考虑扰动效应的直桩垂直阻抗

为了计算考虑施工扰动效应的单桩垂直阻抗,基于饱和多孔介质理论及分数导数理论对地基的复刚度传递多圈层平面应变模型进行改进,计算了径向非均质的桩周饱和土对桩身的垂直动刚度。其次基于Rayleigh-Love杆模型建立了考虑桩段横向振动效应的轴向振动微分方程,并利用传递矩阵法求解得到了层状饱和土中考虑土体扰动效应的桩顶垂直阻抗的半解析解。对考虑桩周土扰动效应下桩顶垂直阻抗的影响因素进行了参数化分析,研究表明:①桩顶垂直阻抗的共振峰值会随着分数导数阶数的增大而减小,并且该效应会随着外荷载激振频率的增大而越发明显;②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桩顶垂直阻抗的影响;③与地基表层覆盖软土相比,表层覆盖硬土能在外激振荷载较低时提高桩顶的动刚度系数,在高频时降低系统的共振效应。     

桩顶柔性约束下非均质饱和土中管桩扭转振动研究

基于Biot波动方程及Novak薄层法理论,采用非线性弹簧模型近似代替上部结构对管桩的柔性约束,并考虑土体剪切模量沿深度的非均质变化,在求得桩周土和桩芯土扭转动力阻抗的基础上,将管桩扭转振动方程离散成差分格式,最终获得了桩顶柔性约束下非均质饱和土中端承管桩扭转振动的频域响应。研究表明:随着柔性约束参数n、M_u的增大,桩顶实刚度在两个参数高、低区段内数值不变,中间随n、M_u逐渐增大,而T_0的影响则与之相反;动阻尼随n、M_u、T_0的变化呈现出近似的正态曲线分布模式;增大土层非均质系数a,将使桩顶实刚度逐渐增大,动阻尼迅速减小,且最终保持不变。     

群桩沉降计算的荷载传递法

群桩基础的沉降计算是桩基工程设计不可忽视的关键问题之一。通过对群桩基础沉降性状的分析,以荷载传递法为基础,导得了各基桩桩侧摩阻力在桩周土中产生的位移场,进而在考虑各桩的存在引起位移的折减后将其迭加,导得了计入桩与桩之间相互作用的桩侧单位厚度土的等效刚度系数;并通过对Boussinesq解进行桩的入土深度修正,从而导得桩端土的等效刚度系数,并在此基础上建立一种基于荷载传递法的群桩沉降计算方法。通过与已有模型桩基试验比较,理论计算与实测沉降吻合较好。