群桩刚性承台竖向动阻抗的简化计算

目前对群桩动阻抗研究的文献 ,始终局限在刚性承台底与土脱离的假设 ,而没有考虑实际存在的承台底与土接触的情况。文中在对群桩刚性承台动阻抗的求解过程中 ,首次考虑了承台底土与承台及群桩的动力相互作用。文中首先利用前期文献确定了单桩和单独刚性基础在均质弹性土中的竖向动阻抗 ,然后定义了桩 -土、土 -桩、土 -土动力相互作用因子的概念 ,并对诸动力相互作用因子作了理论推导及计算 ,进而建立了均匀介质中群桩竖向动力阻抗的简化计算方法。     

筏板与桩基础的竖向动力相互作用

本文考虑了土的成层性和沿深度有变化的特性,将土层沿深度离散形成一系列均质的土层,各土层视为满足平面应变假定,应用传递矩阵法推导出单桩的动力阻抗;借助推求的桩-桩动力相互作用因子,来考虑群桩的桩-桩动力相互作用影响;通常研究承台板与群桩的竖向动力相互作用时假设承台板是刚性的,本文充分考虑了承台板具有一定的刚度、可以变形的柔性特征;并提出承台板-群桩动力相互作用模型,然后推得其动力相互作用方程。通过算例说明了承台板的刚度对承台板的动力作用是有影响的。研究表明,振动频率越低,柔性承台板的振幅与刚性承台板的振幅相差越大;随着频率的增大,两者差别也减小,并逐渐趋于相等。在承台板发生共振时,桩的反力出现明显的峰值,而且柔性承台板比刚形承台板的峰值大得多。     

刚性桩筏基础的竖向振动特性分析

基于三维地基薄层法基本解,得到层状地基中的土-土相互影响因子,结合能够充分考虑被动桩与土体的共同作用的群桩动力模型,建立刚性桩筏基础的动力分析方法。通过参数(桩间距s/d和激振频率f)探讨和与刚性高承台群桩的比较,得到匀质半空间和层状地基中常见刚性桩筏基础的阻抗和内力的变化规律:①桩间土体的存在会提高群桩基础阻抗,从而进一步降低群桩基础的动力响应;②荷载在桩土之间的分配关系(桩土分担比)不是常数,随桩间距和激振频率的变化而变化;③刚性筏板的存在并没有显著地改变群桩桩顶荷载分布规律。最后,分析上海虹桥交通枢纽工程桩筏基础的阻抗函数,并指出其动力响应与一般高承台群桩的差异,为工程设计提供参考。     

承台对群桩-承台结构水动力特性的影响研究

以往对海上结构物下部结构水动力特性的研究,大多仅针对群桩结构进行分析。对于跨海桥梁而言,实际情况是群桩-承台结构受到波浪力荷载的作用,因此对群桩-承台结构在波浪作用下的水动力特性进行系统研究十分必要。文章首先运用数值模拟的方法分析群桩结构的水动力特性,计算结果与相同工况下的实测数据高度吻合,充分证明所采用数值模拟方法是可靠的。其后通过建立群桩-承台结构三维数值波浪水槽,研究承台结构对桩柱群桩效应的影响,绘出了群桩在横向并列和纵向串列两种布置形式下群桩-承台结构的群桩效应系数KG随KC数的变化曲线,并通过改变承台淹没系数以进一步研究其对群桩-承台结构的水动力特性的影响。     

基桩间距和长细比对群桩基础动力阻抗的影响

建立了饱和地基与群桩地基动力相互作用解析模型,对不同基桩间距和长细比下的群桩基础动力阻抗进行了参数分析.结果表明:在一定频率内,随着基桩长细比的减小,群桩基础水平动力阻抗逐渐增大,竖向动力阻抗则越早出现峰值;随着桩间距增大,动力阻抗随频率变化程度和阻抗峰值均会增加.     

桩-承台基础相对刚度试验研究

制作了3个九桩承台和1个十六桩承台,采用不同刚度垫块模拟桩刚度的变化,研究了不同承台厚度和桩支撑刚度对承台刚度及其桩顶反力分布的影响。考虑了桩与承台的相互作用,在对试验结果分析的基础上提出了一种新的桩–承台相对刚度表达式。与现有桩筏(箱)基础刚度计算公式进行对比分析,表明按本文推荐公式计算桩-承台相对刚度和桩基承台的刚柔性特征表现出很好的一致性,解决了现有桩筏基础刚度判定公式对刚度较大的桩判别较差的问题,由本文公式可计算出满足刚性条件下所需承台板厚度。     

垫层隔震基础动力阻抗薄层法求解及参数分析

基于半无限弹性地基模型，引入薄层法，推导出层状地基中垫层隔震基础的动力阻抗解答，与黏弹性边界有限元模型进行对比，验证了方法的合理性。针对垫层隔震基础的水平和摇摆动力阻抗，开展了系统的参数分析。模型的计算结果表明：在0～10Hz，垫层厚度、桩数对摇摆阻抗均有着明显的影响，垫层厚度越大，垫层隔震基础的摇摆阻抗越小；桩数越多，垫层隔震基础的摇摆阻抗越大。此外，相同条件下，桩长越大，垫层隔震基础摇摆阻抗实部越大；垫层剪切波速对基础的水平和摇摆阻抗都有着一定的影响。该方法可用于分析垫层隔震基础在地震荷载作用下的动力特性。     

水泥土桩复合地基荷载传递及变形的原位试验研究

为了获得桩长、置换率等对水泥土桩复合地基荷载传递及变形的定量影响,在5组4桩群桩和5组9桩群桩复合地基的桩体内埋设应变计,在桩间土体内埋设深层沉降标,实测到4桩群桩和9桩群桩复合地基中桩体轴力分布、桩侧摩阻力分布和桩间土变形分布。发现置换率相同时,承台板宽度大,水泥土桩的荷载临界深度也大,桩侧摩阻力分布深度下移。承台板宽从1.0m增加到1.5m时,荷载临界深度由14倍桩长增加到18倍桩长。变形影响深度约为承台板宽度的(1.8～2.5)倍。最大摩阻力出现在承台下1.5m处,该处的竖向偏应力最大,桩体容易在这里破坏。增加桩长能有效减少沉降。荷载水平达到70%以后,变形影响深度下移不再明显。     

层状地基中群桩的水平振动特性

采用动力Winkler地基模型模拟桩土之间的动力相互作用,并运用传递矩阵法考虑地基土的分层特性,提出了计算层状地基中单桩和群桩动力阻抗函数的一种简化方法。在计算动力相互作用因子时考虑了“被动桩”与周围土体之间的相互作用。最后将相互作用因子和群桩阻抗的本文解与精确解进行了对比,同时与有关现场试验结果作了比较,验证了本文方法的有效性。     

基于有限元的刚性桩复合地基优化设计

将采用美国CSI公司开发的通用有限元结构分析程序SAP2000对刚性桩复合地基进行计算分析。采用基于有限元分析的整体刚度+面弹簧法对筏板基础进行内力及变形分析。通过调整筏板厚度和群桩的布桩方式来调整筏板内力。结果表明,通过调整筏板厚度和群桩布桩方式可以使筏板内力在满足冲切要求的条件下,达到一个最小值,使得配筋量最优。     

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。     

考虑侧阻软化和端阻硬化的群桩沉降简化算法

 提出一种位于成层土中的单桩和群桩非线性受力性状的简化算法。单桩沉降计算时采用侧阻软化模型模拟桩身位移与单位侧阻间的关系,采用双折线硬化模型模拟桩端位移与单位端阻间的关系。采用上述2种计算模型,提出单桩受力性状的迭代算法。获得单桩沉降后,结合等代墩法建立群桩沉降的简化算法。算例分析表明,本文方法计算值与实测值和其他方法的计算值有较好的一致性。     

层状地基中桩基础的竖向荷载位移关系非线性分析方法

基于Winkler地基模型,推导了分层土中单桩处于线弹性和弹塑性状态的荷载传递矩阵,提出了单桩竖向位移内力非线性简化分析方法。考虑群桩中的"被动桩"与周围土体的相互"遮拦效应",对传统的桩–桩相互作用系数进行修正,并将其应用于刚性承台下受荷群桩和桩筏基础的非线性分析中。由于考虑了土体的成层性和桩土相互作用的非线性特性,计算模型更好地反映了土体的实际性状。计算结果与有限元计算值和试验结果进行对比分析,验证了本文方法的正确性,可应用于实际工程问题的分析。     

嵌岩特性对嵌岩桩桩顶扭转振动阻抗的影响

考虑桩身截面和桩侧土性质的变化,建立了层状土中嵌岩桩的扭转振动计算模型和控制方程; 利用Laplace变换技术和阻抗递推技术,求得任意荷载作用下嵌岩桩桩顶扭转振动复阻抗,并通过与现有解对比验证了所得解析解的合理性。基于所得解析解,在桩基础动力设计关注的低频范围内讨论了嵌岩桩几何性质、桩底沉渣、岩体性质对桩顶扭转振动复阻抗的影响。结果表明:在扭转振动条件下,嵌岩桩存在一个临界嵌岩深度,临界嵌岩深度随着桩长径比的增大和嵌岩段岩体性质的提高而降低,这说明在工程设计时,并非嵌岩深度越深对整个桩土系统承载特性越有利; 临界嵌岩深度范围内,随着嵌岩深度的增加,桩顶扭转动刚度逐渐减小,动阻尼逐渐增大,超出此范围时,嵌岩深度对桩顶扭转振动阻抗基本上没有影响; 当嵌岩深度小于临界深度时,桩底沉渣的存在会使桩顶扭转动刚度降低,动阻尼增大; 当嵌岩深度超过临界深度时,桩底沉渣对桩顶扭转振动阻抗基本上没有影响; 桩径是影响桩顶扭转振动阻抗的主要因素。     

结构-群桩基础地震响应离心振动台模型试验

为研究桥梁群桩基础的大质量承台和外露桩基对桩-土动力相互作用效应的影响,分别对低承台（与土接触）和高承台群桩基础进行了离心振动台模型试验。试验中地基土采用了黏质粉土,上部结构简化为质点和杆构件,基础形式包括单桩和群桩。为模拟地震剪切波作用下土层运动效应,采用叠环式层状剪切箱实现土体的层状自由剪切,箱内壁设置橡胶膜以消除边界反射效应。在加速度为5.0g的离心环境中,选取Chi-Chi地震波作为基底激励输入,在不同输入峰值加速度下,分析了结构-群桩基础的地震响应。试验结果表明：与低承台群桩基础相比,高承台形成的群桩外露会增加上部结构和承台的惯性效应,改变桩身峰值弯矩的分布,表现为承台与桩接触处的桩身峰值弯矩下降,但桩身最大峰值弯矩改变较小。     

单层饱和土中桩竖向振动简化模型及其解析解

建立单层饱和土中桩竖向振动的简化模型,基于Biot理论和一维杆件理论,利用势函数分解方法对桩土系统解耦,获得桩土完全接触条件下桩土耦合振动的频域解析解的显式表达,分析桩竖向振动特性的主要影响因素。将提出的简化模型解与饱和半空间中桩振动的积分方程解进行对比,讨论桩底支承刚度的取值。该解析解与边界元解的对比以及退化为单相介质后与单相介质有限元解的对比,均表明其具有较高的精度,可以满足工程要求。     

带帽刚性桩复合地基复合桩土应力比的简化计算

在文献[1]推导带帽刚性桩复合地基复合桩土应力比隐式计算公式的基础上,从分析带帽刚性桩复合地基沉降变形特征着手,不考虑复合桩体自身压缩变形量,对复合桩土应力比隐式公式进行简化,推导出带帽端承型桩和带帽摩擦型桩复合地基复合桩土应力比的显式公式,并得出带帽刚性桩复合地基按桩帽间土体模式的沉降计算公式,最后将计算结果与文献[1]进行对比,验证该简化方法的可行性和有效性。     

考虑横向惯性效应时非均质土中大直径桩纵向振动特性及其应用

 基于Rayleigh-Love杆模型,研究考虑横向惯性效应时非均质土中大直径桩纵向振动特性。首先,采用虚土桩模型模拟桩底土对桩的支承作用,通过径向圈层间的剪切复刚度传递,考虑施工扰动造成的桩周土的径向非均质性;然后,将桩与虚土桩假设为Rayleigh-Love杆,建立其纵向振动控制方程,通过Laplace变换和阻抗函数递推方法,得到桩顶频域响应解析解,并通过Fourier逆变换得到桩顶时域响应半解析解;在此基础上,通过参数分析的方法,研究横向惯性效应对大直径桩纵向振动特性的影响以及与桩–土参数之间的关系;最后,将理论计算结果与现场实测曲线进行对比,验证了本文解的合理性。     

承台刚度对受荷群桩基础承载性状的影响研究

既有建筑下挖增层改造将引起群桩基础产生附加沉降。笔者引入双曲线模型来模拟桩端和桩侧阻力的发挥机理;考虑到群桩基础之间存在复杂的桩-桩、桩-土相互作用,结合剪切位移法导得双曲线模型参数的计算方法;通过荷载传递法建立群桩基础刚性承台条件下的控制方程,并结合Plaxis 3D数值分析软件验证了该计算方法的可行性。最后,研究了既有建筑下挖增层改造对刚性和柔性承台群桩基础承载性状的影响因素。结果显示:刚性和柔性承台顶部沉降比随着开挖深度的增加大致呈线性增加;在同一开挖深度时,沉降比随着顶部荷载的增加而有所增大,且柔性承台的沉降比大于刚性承台的沉降比;群桩基础中的桩间距对承台顶部沉降比会有一定的影响;在既有建筑下挖增层改造过程中,群桩基础承台应做成刚性承台。     

桩筏基础相互作用非线性简化分析

提出一种桩筏基础相互作用的简化分析方法。对筏板和土体的接触面进行单元离散,在单桩弹塑性分析的基础上,分析了桩–桩、桩–土、土–土的相互作用关系。推导了桩土体系的刚度矩阵,得到刚性筏板群桩基础的竖向荷载沉降关系,桩的轴力沿深度的分布和桩、筏板各自分担的荷载。无需对桩和土体沿深度方向进行单元离散,简化了计算过程。由于考虑了土体的非均匀性和桩土相互作用的非线性特性,计算模型更好地反映了土体的实际性状。与有限元、边界元计算值以及实际工程实测值进行对比分析,验证了本文方法的正确性,并可应用于实际工程问题的分析。