考虑土体三维波动效应的现浇大直径管桩纵向振动

考虑土体三维波动效应和桩-土耦合振动,把桩看作一维杆,把土体看作三维轴对称黏弹性介质,对黏弹性地基中现浇大直径管桩纵向振动频域特性进行了理论研究。首先通过引入势函数对土体振动方程解耦,采用Laplace变换和分离变量的方法求得了桩周土及桩芯土频域响应解析解,进而利用桩土完全耦合的条件得到桩振动响应解。将所得解完全退化到实心桩的解,验证了解析解的合理性,并与未考虑三维效应的简化解对比。分析了桩底刚度系数、桩长以及桩径等对桩顶复阻抗的影响,得到了各参数对桩振动特性影响的规律。分析表明：桩底刚度系数增大,共振频率增大,且复阻抗的振荡幅值增大。无桩芯土时复阻抗的振荡幅值比桩周桩芯土都存在时大,无桩周土时复阻抗的振荡幅值比无桩芯土时大。桩长增大,桩顶复阻抗的振荡幅值和共振频率均显著减小,当桩长增大到一定长度的时候,增加桩长对桩顶复阻抗基本没有影响。外径增大或内径减小,桩顶复阻抗的振荡幅值增大。     

虚土桩扩散角对楔形桩扭转振动阻抗的影响

基于桩端土的锥形虚土桩模型,研究端土应力扩散效应对楔形桩扭转振动阻抗的影响。首先将桩侧土和桩端土划分多个薄层,采用平面应变模型求解得到桩(虚土桩)侧土的剪切复刚度,然后利用Laplace变换技术和阻抗函数递推法得到虚土桩顶部阻抗,并将其作为楔形桩的实际支撑刚度,进一步推得楔形桩桩顶扭转振动阻抗频域响应解析解;最后,分析虚土桩扩散角对楔形桩扭转振动阻抗的影响。研究表明:随着虚土桩扩散角的增大,楔形桩桩顶扭转动刚度逐渐增大,动阻尼逐渐减小。     

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。     

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。     

饱和土中大直径缺陷桩水平振动响应研究

为了研究成层饱和土中存在缺陷的大直径灌注桩的水平振动响应问题,基于Boit理论和严格的平面应变假设建立缺陷桩-饱和土横向耦合振动简化模型。引入势函数并利用算子分解法、分离变量法得到桩周饱和土对桩的水平作用力,再利用桩土接触面耦合条件及刚度矩阵传递法得到桩顶复阻抗;最后,通过模型对比与退化对比验证本文解的合理性。研究结果表明:(1)扩径对提高桩顶复阻抗起到的作用相对较小,但是缩径的出现将明显降低桩顶复阻抗;(2)桩顶动刚度和动阻尼对桩身缺陷大小和长度的敏感度不同,动刚度较动阻尼更为敏感;(3)桩顶附近缩径缺陷会导致桩顶复阻抗显著降低,而桩中部和端部附近缩径缺陷对桩顶复阻抗的影响相对较小。     

考虑剪切变形的PCC桩水平振动响应解析解

 为了探讨考虑剪切变形的PCC桩水平振动特性,首先,采用Timoshenko模型模拟PCC桩,建立其水平振动控制方程;其次,采用微分变换和分离变量法对三维土体控制方程进行解耦,推导出土体位移和水平阻抗解析表达式;然后,结合桩土连续性条件,推导出PCC桩动力复阻抗解析表达式。由此进行算例分析表明：Timoshenko模型与Euler-Bernoulli模型推导的桩顶水平动力复阻抗变化规律一致,验证了解的合理性;复阻抗实部均随桩长增加而减小,虚部均随桩长增加而增大,当桩长增加到临界桩长时,桩长对复阻抗实部和虚部基本没有影响;复阻抗随内径减小而增大,当内径减小至0.2 m及以下时,桩芯土对复阻抗影响不大;当横截面面积相同时,平均半径和壁厚对复阻抗均有显著影响。     

桩底土的成层性对桩体纵向刚度的影响

 为了确定桩底土(桩底与基岩间的土体)的厚度和分层情况对桩体刚度和阻尼的影响,使用锥形虚土桩模型对单桩纵向振动进行求解。桩底应力以一定扩散角度传递至基岩表面,将扩散锥面内部土体看作虚土桩。由虚土桩底部的位移限制条件和阻抗传递法得到桩底和桩顶的复阻抗。将桩底土层的参数转换为虚土桩的参数,通过分析这些参数的变化,进而判断桩底土层对桩体刚度和阻尼的影响。分析结果表明：桩底土层厚度小于5倍的桩体半径时,桩体刚度明显提高,阻尼减小;桩底土层存在软夹层,则桩体刚度会相应降低,阻尼增大,若存在硬夹层,结论相反。桩底土存在不同土层时,若只使用第一层土体的参数估算桩底刚度,误差较大,尤其对处于准静力状态的桩体。     

夯实水泥土楔形桩复合地基承载特性试验研究

 针对软土地基中的夯实水泥土桩复合地基,分别进行1组等截面桩和3组不同楔角楔形桩的9桩复合地基对比试验,研究4组复合地基在相同条件下的平均沉降和平均桩–土应力比随荷载变化的规律以及荷载传递规律。试验结果表明：夯实水泥土楔形桩能有效地调节桩–土沉降差和地基沉降,提高地基承载力;增大楔形桩的楔角能使桩体较早地发挥其承载性能,夯实水泥土楔形桩复合地基的平均桩–土应力比较夯实水泥土等截面桩复合地基的大;随侧壁倾角的增大,夯实水泥土楔形桩桩身轴力的衰减速率不断增大,随荷载传递深度不断减小,楔形桩的工作性状远优于等截面,且侧壁倾角越大,桩体的性状能得到较好地发挥。     

均质土层中超长两桩基础承载性状的数值研究

基于三维有限元分析方法,研究了均质地基土中超长两桩基础的承载性状。在有限元模型建立中,为了考虑桩–土共同作用,桩和地基土均用8结点等参单元模拟;为了考虑桩–土间的变形非线性特性,桩–土间设置了一层有厚度的薄单元;桩身混凝土的应力应变关系用线弹性模型模拟,地基土用Duncan-Chang非线性弹性模型模拟,桩周薄单元用河海大学薄单元模型模拟。计算分析表明,基桩的竖向刚度随桩中心距的增大、桩长的增大而增大,但其总小于单桩的竖向刚度;桩侧阻端阻综合群桩效应系数随桩顶沉降、桩中心距的增大而增大,随桩长的增大呈先减小后增大或基本保持不变的变化特点。     

水平荷载作用下超长群桩效应数值分析

通过数值模型模拟多种工况算例,研究了桩顶约束条件、桩距、桩数、桩长以及土内摩擦角等因素对群桩效应的影响。结果表明桩顶固接时的群桩效应较桩顶铰接时强;桩距增大,桩数减小,桩长减短及土内摩擦角的减小均使群桩效应减弱,其中土内摩擦角对群桩效应的影响较小。水平荷载作用下超长群桩的临界桩距在桩顶铰接时约为12D,桩顶固接时约为15D,远大于普通桩。超长桩的群桩效应强于普通桩。     

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。     

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。     

饱和黏弹性土中单桩的纵向振动

基于Biot两相介质模型,在频率域内研究了简谐荷载作用下饱和黏弹性土中桩纵向耦合振动特性。借助Novak平面应变模型推导了饱和黏弹性土层的控制方程。将桩等效为一维杆件模型,建立了桩的振动方程。根据桩土连续性条件,求得了桩顶的动力刚度和动力阻尼。与Novak解进行了对比,并考察了长径比、流固相互作用系数、土骨架的阻尼比、桩土模量比等参数对饱和土桩系统纵向振动的影响。结果表明:单相和饱和黏弹性土中桩的动力特性存在一定差异;随着长径比的增加,动刚度因子和等效阻尼的共振效应明显减弱;而随着模量比的增加,共振效应和基频都有所增大;流固相互作用系数和土骨架的阻尼比影响相对较小。     

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。     

基于附加质量模型的管桩扭转振动研究

基于附加质量模型研究了管桩的扭转振动特性,为管桩的无损检测、动力基础设计和抗震设计提供了新的理论依据。首先,推导出管桩桩顶复刚度和速度频域响应解析解及半正弦脉冲激振力作用下桩顶速度时域响应半解析解;然后将该文解与经典的平面应变解进行对比,验证本文解的合理性;最后分析土塞高度和土塞与管桩之间的阻尼作用对管桩扭转振动特性的影响。分析表明:土塞高度和土塞与管桩之间的阻尼作用是影响管桩扭转复刚度的重要因素;随着土塞高度的增加和土塞与管桩之间阻尼作用的增强,填充土塞段管桩的扭转综合波速会逐渐减小。     

层状地基中大直径端承桩水平和摇摆耦合振动特性

在考虑土体切向振动对横向振动影响的基础上,建立土体振动模型。对土体水平阻抗修正后与经典解进行比较,证明文中解的正确性;然后,利用矩阵传递法得到大直径端承桩的水平阻抗、摇摆阻抗及其耦合阻抗。通过参数讨论发现长细比和桩土相对刚度是影响大直径桩基动力特性的主要因素,说明该模型能够更为准确地预测大直径桩的振动特性。     

非饱和土半空间中单桩竖向振动特性研究

从三维轴对称的非饱和土波动方程出发,考虑土中基质吸力对剪切模量的影响,对端承桩在纵向简谐荷载作用下桩土耦合振动特性进行了研究。利用算子分解和分离变量法直接对耦合方程进行解耦,在求得非饱和土层振动模态形式和阻抗因子的基础上,结合桩土界面处的衔接条件以及桩端刚性支承形式,对桩的一维波动方程进行求解,得到了桩顶复刚度函数、土层阻抗因子的频域形式解答,并讨论了主要参数对桩基动力行为的影响。计算结果表明：随着饱和度的减小,桩顶动刚度因子和等效阻尼的振幅随之减小,但桩土体系的共振频率则基本不受其影响。在桩土模量比的分析中,应区别对待土和桩弹性模量引起的不同反应。模型揭示了土体动力响应从单相到饱和两相介质条件下的完整演化过程,为描述实际土体环境下桩基动力行为提供了较为完备的理论框架。