三维非均质土中粘弹性桩-土纵向耦合振动响应

在考虑土体三维非均质性情况下,对变截面粘弹性桩的动力特性进行研究。首先,结合边界条件,利用复刚度传递平面应变土体模型求得纵向不同性质桩侧土层的复刚度,进而对各段变截面桩身从下往上逐段推导得到单桩桩顶受纵向激振力作用下的桩基振动的频域响应解析解;然后,利用卷积定理和Fourier逆变换得到桩顶的时域响应半解析解;最后,研究分析桩土参数对桩顶动力响应的影响,得到了桩顶频域和时域响应的规律性,为桩基础的抗震设计和桩的完整性检测工作提供新的理论依据。     

桩底沉渣性质对成层粘弹性土中大直径灌注桩动力响应的影响

为了研究桩底沉渣性质对成层粘弹性土中大直径灌注桩动力响应的影响。首先，将桩底沉渣看作虚土桩，并引入Rayleigh-Love杆模型建立桩及虚土桩纵向振动控制方程，以近似考虑大直径灌注桩的三维效应；然后，基于三维轴对称模型建立桩周土纵向振动控制方程；求解桩-土体系振动控制方程，并结合Laplace变换、阻抗函数递推、Fourier逆变换等方法，得到桩顶频域及时域响应理论解；基于所建立的理论解答，揭示大直径灌注桩三维波动效应的规律，并分析桩底沉渣性质对其动力响应的影响；最后，通过与实测结果的对比验证该解的可靠性。     

基于桩侧虚土桩模型的桩-桩芯土竖向动力响应

考虑桩芯水泥土与桩身的较强黏结性,提出桩侧虚土桩模型来模拟桩与桩芯土塞的相互作用,建立含水泥土土塞的竹节桩纵向动力模型. 通过阻抗函数递推方法得到简谐激振下桩顶动力响应频域解析解和时域半解析解,与三维有限元数值模型进行拟合对比,验证理论模型的合理性;通过参数分析研究水泥土相关参数对桩顶动力特性的影响;通过室内水泥土试验以及现场桩基试验,研究竹节桩桩芯水泥土对桩身低应变测试曲线的影响;根据实测曲线对模型中的关键参数进行拟合反演. 结果表明：竹节桩桩芯土塞高度增加会引起桩底反射信号减弱以及桩身综合波速减小,土塞模量增加会引起桩底反射信号减弱和轻微提前;拟合得到的虚土桩尺寸系数较为稳定;桩芯水泥土的阻尼系数与经验公式计算结果差异较大;在参数拟合过程中,理论模型计算得到的结果与实测曲线较符合,本研究理论模型可以较好地模拟桩与水泥土的动力相互作用.     

嵌岩桩沉渣特性对桩顶动力响应的影响

基于虚土桩模型,运用Laplace积分变换和阻抗函数递推方法研究了纵向任意激振力作用下沉渣特性对成层土中嵌岩桩桩顶动力响应的影响.将桩端沉渣模拟为虚土桩,对桩侧土采用平面应变模型,并考虑其成层特性,结合初始条件和桩顶及沉渣底部的边界条件,求得在桩顶任意激振力作用下,考虑沉渣影响的桩顶频域响应解析解及时域响应半解析解.基于理论解,分析了沉渣特性对桩顶动力响应的影响,并将理论计算结果与工程桩低应变反射波法实测曲线进行了拟合对比,结果表明,基于虚土桩模型的理论解能较好地反演出沉渣特性对桩顶动力响应的影响.     

饱和土层中桩的扭转振动响应分析

基于饱和多孔介质理论研究了在三维轴对称条件下端承桩在饱和土中的扭转耦合振动问题,提出了桩与土在谐和振动情况下的定解问题，先对土层动力平衡方程进行求解并得到土体扭转振动位移形式解，依据平衡条件将该形式解耦合进桩身动力平衡方程，并通过对桩动力平衡方程的求解，得到桩顶转角和切向速度频域响应解析解和半正弦脉冲激励作用下桩顶时域响应的半解析解.数值分析结果表明，桩的长径比和波速比对桩顶动力响应有较大的影响，孔隙率和渗透力影响较小.将扭转振动结果与纵向振动分析结果进行了对比，二者在图形形状上有很多相似之处.     

均质土体中部分埋入桩纵向振动响应研究

基于土体的运动方程,研究了均质各向同性土体中部分埋入桩的纵向振动问题.利用拉普拉斯变换,求得了土体纵向振动位移形式解.根据桩土系统衔接条件和边界条件,得到了桩段1顶部阻抗函数的拉普拉斯变换域解.根据阻抗函数递推原理,傅里叶逆变换和卷积定理,求得了桩顶速度导纳的解析解和半正弦脉冲作用下桩顶速度时域响应的半解析解.最后,通过参数分析研究了桩土系统主要参数对桩顶动力响应的影响.结果表明,上部桩段长度对桩顶速度导纳和速度时域响应有着明显的影响.     

均质土中部分埋入粘弹性桩的瞬态波动响应

基于回传射线矩阵法,得到均质土中部分埋入粘弹性桩在单位脉冲作用下的桩顶速度导纳,然后利用Fourier逆变换和卷积定理得到了在瞬态半正弦激振力作用下的桩顶速度时域响应,与全埋入粘弹性桩作对比,分析桩身材料阻尼、外露桩长、桩侧土阻尼和刚度及桩底土阻尼和刚度对桩顶速度导纳和反射波的影响.结果表明:桩材料阻尼、外露桩长、桩侧土阻尼和桩底土阻尼对桩顶频域及时域速度响应有显著影响;桩侧土刚度和桩底土刚度只对速度导纳曲线的低频部分有影响,且桩底土刚度对导纳曲线的相位和反射波的形状及幅值有显著的影响.     

锥形桩的纵向动力响应

主要研究了锥形桩这一典型变截面桩的桩顶纵向振动响应。桩身为均质线弹性有限长杆,桩顶受纵向冲击力作用。桩周土和桩底土用Kelvin？Voigt模型表示,假设桩周土剪切波速随深度线性变化。根据上述桩土模型,推导出简洁的波动方程。由Laplace变换得出了频域的解析解,然后采用快速傅里叶变换求解Laplace逆变换,得到了时域的半解析解。通过与差分法计算结果对比,表明本文求解方法的合理性。通过对计算结果的分析,了解了桩顶振动速度导纳曲线的变化特征,还说明了截面渐变程度对桩顶速度响应的影响,阐述了变截面效应。锥形桩的变截面效应表现为：桩身横截面的渐变会对频域响应的低频波部分产生影响;桩身横截面渐变时会引起桩身渐变的反射,而且截面渐扩（渐缩）程度越大,反射越明显。     

径向非均质黏性阻尼土中管桩纵向振动特性

为分析施工扰动对管桩纵向振动特性的影响,发展建立了基于复刚度传递径向多圈层平面应变模型黏性阻尼土中管桩-土体纵向耦合振动模型.利用拉普拉斯变换和径向复刚度传递,得到桩芯土与桩身界面处的复刚度,并利用桩土界面上位移连续、力平衡条件推导得出桩顶动力阻抗的解析解,通过进一步参数化分析分别探讨桩长径比、桩内外径比、桩身弹性模量、土体黏性阻尼系数、桩周土施工扰动程度和扰动范围对桩顶纵向振动特性的影响规律.结果表明:管桩桩长增加使得桩顶动力阻抗曲线振幅和共振频率降低;桩芯土体对桩体可以起到减震作用;桩顶动刚度和动阻尼曲线振幅随施工引起桩周土软(硬)化程度增加而减小(增大);管桩桩顶动力阻抗振幅水平随施工扰动引起桩周土体软(硬)范围增加而增大(减小),此种影响仅在近桩小范围内较为明显,超出该范围即大幅衰减至稳定;当施工扰动较明显时,在管桩纵向振动特性分析中宜考虑此种桩周土体径向非均质性的影响.     

大直径桩-土系统作用下解析解与室内模型试验研究

将桩视为一维杆件的基础上考虑桩身横向惯性效应,建立大直径桩与三维连续介质土耦合振动模型,得出此模型的耦合振动方程,并得到大直径桩顶时域响应半解析解,分析大直径桩代表性参数对桩-土系统的动力影响;随后开展大直径模型桩室内试验研究,对模型桩桩顶施加小应变激振力,通过EPPDS型无线基桩动测仪进行小应变下的桩顶数据采集,对改变模型桩的直径及桩身材质进行相关参数研究,将理论计算的结果与试验测试数据进行对比分析,证实了理论解分析的正确性及对实践指导的可靠性。     

层状地基中考虑桩端应力泡形扩散的单桩沉降计算方法

基于虚土桩模型，研究了桩端应力扩散效应对单桩沉降的影响。结合虚土桩模型和Boussinesq解，提出考虑桩端应力泡形扩散的应力泡形虚土桩模型来考虑桩端土对桩的支承作用；利用荷载传递法，对桩周土采用双折线模型，推导得到层状地基中考虑桩端应力泡性扩散的单桩沉降解析解；讨论了弹性极限位移、弹性抗剪切刚度系数、附加应力值等参数对单桩沉降的影响；结合工程实测数据，将该方法与现有理论解进行对比，验证了方法的合理性。应力泡形虚土桩模型的最大优势在于能够较严格地给出桩端应力扩散边界，具有更广泛的工程应用价值。     

Longitudinal vibration of pile in layered soil based on Rayleigh-Love rod theory and fictitious soil-pile model

The dynamic response of pile in layered soil is theoretically investigated when considering the transverse inertia effect.Firstly, the fictitious soil-pile model is employed to simulate the dynamic interaction between the pile and the soil layers beneath pile toe. The dynamic interactions of adjacent soil layers along the vertical direction are simplified as distributed Voigt models.Meanwhile, the pile and fictitious soil-pile are assumed to be viscoelastic Rayleigh-Love rods, and both the radial and vertical displacement continuity conditions at the soil-pile interface are taken into consideration. On this basis, the analytical solution for dynamic response at the pile head is derived in the frequency domain and the corresponding quasi-analytical solution in the time domain is then obtained by means of the convolution theorem. Following this, the accuracy and parameter value of the hypothetical boundaries for soil-layer interfaces are discussed. Comparisons with published solution and measured data are carried out to verify the rationality of the present solution. Parametric analyses are further conducted by using the present solution to investigate the relationships between the transverse inertia effects and soil-pile parameters.     

基于既有桩基振动理论反演的桩周土动态响应解

提出一种基于现有桩基振动理论反演的桩周土半无限空间激振响应模型,通过Laplace-Hankel积分变换求解得到其复数域内解析解及时域半解析解. 该方法在获得桩周土动态响应的同时,避免对复杂桩–土耦合振动条件进行联立分析,使得求解这类问题的解析过程大大简化. 通过与既有理论解及有限元分析软件ABAQUS的结果进行对比,分别验证所得解在桩周土及桩底以下土激振响应问题上的合理性. 基于解析结果,针对由旁孔透射波法估计未知桩长的问题进行讨论,提出一种相对简单的未知桩长估计方法. 该方法可以减少现场测试的工作量,并有助于提高后期数据处理的精度.     

饱和黏弹性土中端承桩扭转振动的对比分析

采用Kelvin模型模拟饱和土体和桩的相对滑移,在频率域内研究了饱和黏弹性土层中端承桩的扭转耦合振动.饱和土体的力学行为利用Biot模型描述.将土骨架视为具有分数阶导数本构的黏弹性体,采用Novak薄层法,得到了桩扭转振动时饱和黏弹性土层的动力阻抗.利用Euler-Bernoulli杆模型模拟桩的力学行为,给出了饱和分数导数黏弹性土层中端承桩扭转振动的分析方法和桩顶动力复刚度的解析表达式.在此基础上,分别对以下几个方面进行了对比分析：经典弹性模型、分数导数黏弹性模型和标准线性固体模型的结果;三维模型和薄层法的结果;桩土界面有无相对滑移的结果.考察了分数导数模型参数、饱和土和桩各参数对桩顶刚度因子和等效阻尼的影响.结果表明：在高频处完全接触条件下桩顶刚度因子和等效阻尼的振幅小于滑移条件下;随着阶数和材料参数比的增加,桩顶刚度因子和等效阻尼都有所减小.     

Vertical dynamic response characteristics of single pile in non-homogeneous soil layers

A computational method and a mechanical model for evaluating the vertical dynamic harmonic response characteristics of a single pile embedded in non-homogeneous soil layers and subjected to harmonic loadings were established based on a certain assumption and the improved dynamic model of beam-on-Winkler foundation by using the principle of soil dynamics and structure dynamics. Both non-homogeneity of soil strata and softening effect of soil layer around the pile during vibration were simultaneously taken into account in the proposed computational model. It is shown through the comparative study on a numerical example that the numerical results of dynamic response of the single pile computed by the proposed method are relatively rational and can well agree with the numerical results computed from the well-known software of finite element method. Finally the parametric studies were conducted for a varied range of main parameters to discuss the effects of relevant factors on dynamic responses of the single pile embedded in non-homogeneous layered soils excited by harmonic loading with different frequencies.