桩土耦合扭转振动理论研究与特性分析

从三维轴对称角度出发,对弹性支承桩与均质土耦合作用时的扭转振动特性进行了研究分析。假定桩为竖直弹性均匀截面桩,土为线性黏弹性体,其材料阻尼为滞回阻尼,首先通过对土层进行求解得到其振动扭转角的形式解,然后利用该解并以小应变条件下桩土接触界面位移连续和力连续来考虑桩土的耦合作用,来分析基桩的动力反应,研究得到了弹性支承桩在谐和激振扭矩作用下频域响应函数解析解,并利用所得解对土层动力反应特性以及桩土体系的扭转振动特性进行了深入分析,得到了一些新的结论。     

非饱和土层中桩的扭转振动响应分析

基于已建立的非饱和土中的波动方程,研究了瞬间扭转荷载作用下桩的动力响应问题。在频域中,得到了桩顶位移和速度的响应函数。利用付立叶逆变换,给出了半正弦脉冲激励下桩顶速度时域响应半解析解。分析了主要参数对响应的影响。最后将分析结果进行了对比,结果表明:本文的退化解和饱和土扭转振动解是一致的。     

结构弹塑性振动阻尼识别中的滞回恢复力处理

根据三对共６个小型单层钢框架的动力－静力对比试验数据，采用动力时程分析方法进行阻尼识别，讨论了识别过程中如何处理结构的实际非弹性滞回恢复力以及恢复力对阻尼识别结果的影响问题。     

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。     

低应变条件下桩土相互作用的阻尼系数

低应变条件下桩土相互作用的阻尼系数是基桩缺陷量化分析的一个关键参数。为通过试验直接确定桩土相互作用的阻尼系数,建立桩土相互作用的定解方程,分析两端自由的摩擦桩在不同阻尼系数时的桩顶速度波时程变化,推导桩顶速度响应幅值比与阻尼系数之间的关系。在此基础上,选用6种桩侧土,针对土层饱和前、后两种状态,进行不同上覆有效应力作用下土层与桩相互作用的模型试验,确定桩侧土阻尼系数,研究阻尼系数随土性、土层上覆有效应力的变化。试验结果表明,6种桩侧土阻尼系数均随土层上覆有效应力增加而呈指数关系增加,不同土类指数关系中的系数不同;与饱和前的砂土与粉土阻尼系数相比,相同土层上覆有效应力下饱和后砂土与粉土的阻尼系数降低25%～60%;当土层上覆有效应力从85 kPa增加到850 kPa时,饱和粉质黏土的阻尼系数从250 s-1增加至890 s-1;当土层上覆有效应力从20 kPa增加到150 kPa时,饱和软黏土的阻尼系数从330 s-1增加至420 s-1。最后,将试验得到的阻尼系数与其他方法确定的阻尼系数进行比较,进一步说明通过试验测定桩土相互作用阻尼系数的必要性。     

液化土中桩水平振动响应分析

将完全液化土体考虑成流体,研究了已液化土体中桩的水平振动问题。用流体运动方程模拟完全液化土体,用Biot动力固结模型模拟未液化饱和土层,用分离变量法求解流体振动方程,结合桩水平振动方程和桩–液化土耦合条件得到液化土–桩水平振动解,考虑液化土体和饱和土体的连续条件、桩身位移和内力连续条件以及桩底部嵌固条件,采用矩阵传递法得到液化土–饱和土分层条件下桩顶阻抗的表达式。将解退化为水中悬臂梁振动问题,与已有解进行对比,验证了本文解的正确性。进行参数分析,表明液化层厚度和流体密度对桩顶阻抗影响较大。     

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。     

用Penzien模型研究地震时桩土相互作用

利用Penzien模型对地震时的桩土作用公式进行了推导,并对Penzien模型中参数的选择进行了探讨以促进地震时相互作用问题的研究,可为以后利用Penzien模型研究桩土相互作用提供参考。     

考虑土体三维波动效应时黏性阻尼土中桩的纵向振动特性及其应用研究

从三维轴对称土体模型出发,考虑土体三维波动效应,对黏弹性支承桩在任意竖向激振力作用下与土体的耦合作用特性进行了研究。假定桩为竖直、弹性、等截面体,土为线性黏弹性体,其材料阻尼为黏性阻尼。利用拉普拉斯变换,将定解问题转换到拉普拉斯域内求解。通过引入势函数,将土体位移进行分解,从而将土体动力平衡方程进行解耦,求解得到土体的振动模态形式,再利用该解,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,得到拉普拉斯域内桩的位移函数解析解,进而可得到桩顶速度导纳函数解析解,采用卷积定理和傅里叶逆变换,求得了半正弦脉冲激振力作用下桩顶速度时域响应半解析解。基于所得解对速度导纳曲线和速度反射波曲线进行了量纲一的参数讨论,以揭示桩的纵向振动特性,为基桩动测提供理论和实践上的指导。     

Hilbert变换在SDOF线性滞回阻尼中的应用

线性滞回阻尼的恢复力大小有着与变形频率无关的特性 .考察了实值位移 Kelvin模型和复值位移 Kelvin模型 .借助 Hilbert变换 ,给出了线性滞回阻尼在单自由度结构体系下的时域表达法和频域表达法 .通过两个实际算例说明 Hilbert变换在分析具有滞回阻尼的线性结构时是很有效的 .     

液化土层中桩基抗震性能研究

通过振动台试验，研究了饱和砂土中桩基的振动特性，对桩土振动过程中的动力相互作用有了初步的认识。根据试验结果，得到距模型桩不同位置处的砂土的动力p-y曲线与API推荐做法得到的静力p-y曲线，并对两者进行了比较，说明了饱和砂土液化降低了模型桩的横向承载能力，但并没有使模型桩的横向承载能力完全丧失。提示工程设计人员在对可液化砂层的横向承载能力进行考虑时，完全不考虑可液化砂层的横向承载能力是偏于保守的。     

混凝土坝-基岩地震动力相互作用时域有限元分析

混凝土坝地震响应分析是坝工安全评估的关键一步。坝与基岩动力相互作用对混凝土坝地震响应具有重要影响。因此,建立一个可考虑坝与基岩动力相互作用影响的数值分析方法是十分必要的。给出了分析混凝土坝–基岩系统地震响应的时域有限元法。在时域有限元分析中,地震波的输入以及地基辐射阻尼的模拟常常是2个十分重要的课题。基于柱面波动方程提出了能同时实现地震动输入和模拟地基辐射阻尼的方法,这种方法非常简单有效,几个数值算例验证了方法的精度和有效性。最后,对混凝土重力坝地震响应进行了数值分析,结果表明无限地基辐射阻尼的影响是显著的。     

考虑成桩效应时径向非均匀饱和土体的动力扭转阻抗研究

基于Biot动力固结理论,研究桩周径向非均匀饱和土体的扭转振动问题。首先,将径向非均匀土体分为内部环形扰动区域和外部半无限大未扰动区域,并进一步将内部扰动区域土体分为多个薄层同心圆环区域。然后,在平面应变条件下推导得到饱和土体受谐和扭转荷载作用的动力控制方程,并求得土体扭转振动位移形式解。进一步结合径向土层之间的边界条件和衔接条件,采用剪切刚度传递的方法,得到土体的扭转阻抗。最后,在低频范围内分析成桩施工导致的桩周土体参数变化对土体扭转阻抗的影响,并将该解与现有解进行对比。结果表明,(1)土体硬化程度越大,土体扭转阻抗的刚度和阻尼部分越大;(2)土体软化程度越大,土体扭转阻抗的刚度和阻尼部分越小;(3)在2倍桩径范围内,内部区域宽度越大,硬化土体扭转阻抗的刚度部分越大,软化土体扭转阻抗的刚度部分越小;(4)当激振频率较小时,内部区域土体材料阻尼对土体扭转阻抗的刚度部分基本没有影响。     

频域内半空间饱和土中水平受荷桩的动力分析

利用积分方程方法研究了半空间饱和土中单桩受水平简谐载荷时的动力响应。利用半空间饱和土在水平简谐圆形载荷作用下的格林函数和桩－土变形协调条件，建立了桩－土共同作用的第二类Fredholm积分方程。通过数值求解所得的积分方程，得到单桩在水平简谐载荷作用下的动力响应。     

水平简谐荷载作用下饱和土中群桩的动力反应

研究了在水平简谐荷载作用下饱和土中群桩的动力反应问题。半空间饱和土采用Biot提出的三维波动原理,将桩看作是一维的弹性杆单元,采用Hankel变换及数值逆变换得到饱和土的基本解。利用桩土之间的变形协调条件和叠加原理得到饱和土中群桩的第2类Fredholm积分方程,采用动力相互作用因子的方法计算群桩在水平荷载作用下的动力阻抗,给出了群桩的阻抗、弯矩以及孔压的数值结果。该方法可用于计算层状饱和土中群桩的水平动力反应问题。     

桩-土界面摩擦对静压桩挤土效应的影响分析

采用合适的土体屈服准则及有限变形理论，通过在桩-土界面设置接触以及在桩顶施加位移荷载建立了符合压桩实际的有限元模型。利用得到的有限元模型模拟了沉桩产生的挤土位移场，讨论了桩-土界面不同摩擦情况对沉桩产生位移场的影响。并对桩-土相互作用及水平向孔扩张的2种有限元模型进行了对比，结果表明，考虑桩-土相互作用及其摩擦情况是正确模拟静压桩挤土效应的关键。     

滑坡监测TDR技术的试验研究

针对时域反射法(TDR)在滑坡监测方面的应用，阐述了TDR技术的基本原理及电磁波在同轴电缆中的传播特性，通过对三种不同型号同轴电缆室内剪切试验，研究了同轴电缆的剪切变形对TDR波形的影响，总结了不同型号同轴电缆的反射系数随剪切位移的变化规律及力学特性。结合实际工程情况，通过浇筑于水泥砂浆填充体中的同轴电缆TDR试验，分析对比了几种试验条件下同轴电缆的TDR特性，提出了一些具有实际工程应用价值的结论。     

桩基础的参振质量及其阻尼性能

根据桩基础的振动试验和分析表明，在垂直振动作用下，桩和土的参振质量是很显著的，并且明显大于天然地基条件下的量值，如果在计算时不计这一作用，其振幅反应就不可能在全扰频范围内符合实际．试验结果还表明，桩基础的阻尼比和阻尼系数也显著增大．