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。     

分层土中群桩的竖向和摇摆动力阻抗计算

采用动力文克尔地基梁模型,在研究两桩竖向动力相互作用时,建立被动桩的运动方程,求得均匀土中竖向动力相互作用因子的解析解。在各分层土中建立单桩竖向振动微分方程,利用各分层土之间桩身的连续性条件和桩顶、桩底边界条件,求解单桩振动方程。采用三步法计算分层土中桩基竖向动力相互作用因子,结合单桩竖向动力阻抗和相互作用因子求解群桩竖向和摇摆动力阻抗。通过算例分析,得到一些有意义的结果和结论。     

不同桩头约束下水平受荷单桩简化计算方法

桩头转动约束对水平加载单桩的响应有显著影响。转动刚度K和桩头约束度λ是常用的桩头转动约束表征量。该文采用p-y曲线法分析了砂土中水平受荷竖直弹性长桩响应随K和λ的变化规律,提出了桩头位移和土面下桩身最大弯矩随λ变化的经验公式。基于上述经验公式和特征荷载的归一化表达式,提出了给定K或λ情况下计算桩头位、桩头弯矩、土面下桩身最大弯矩及其埋深位置的整套简化计算方法。该简化方法实现了考虑桩头转动约束单桩非线性响应的手工计算。该方法与p-y曲线法对比验证了该方法的准确性。     

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。     

考虑桩-土相互作用的连续刚构桥车桥耦合振动分析

针对某高速铁路上一座位于软弱地基处的连续刚构桥,为研究考虑桩-土相互作用对上部结构和车辆动力响应的准确影响,避免由于桩顶横向位移和弯曲的耦合作用带来的误差,建立包含桩基础的整体桥梁模型(全桩模型),对比以往常用的墩底固结模型和在承台底施加弹簧约束的模型(等效刚度模型)。计算分析了三种模型的自振特性,使用桥梁动力分析程序BDAP V2.0分别进行动力仿真分析。对比分析表明：考虑桩-土相互作用对桥梁横向振动有较大影响,其中横向动位移显著增大,最大误差达31%,而横向加速度降低;全桩模型由于考虑了桩土相互作用以及横向位移和弯曲的耦合作用,比墩底固结模型和等效刚度模型要合理;高速铁路桥梁位于软弱地基处且具有高桩承台时,应采用考虑桩-土-上部结构动力相互作用的有限元模型进行车桥动力仿真分析。     

边界约束对梁抗爆动力响应的影响(Ⅰ)–理论研究及分析

边界约束的差异会直接影响结构的抗爆动力响应及承载能力,文中建立了复杂约束条件下抗爆梁在弹性阶段和塑性阶段的解析计算方法,并计算分析了竖向弹性与阻尼约束、水平约束刚度、抗弯约束、荷载形式以及屈服弯矩动力强化系数对动力响应的影响。计算表明：竖向弹性与阻尼约束会引起附加惯性力,能够明显降低结构在弹塑性阶段的位移动力系数。水平约束和抗弯约束影响结构的动态响应主要在塑性阶段,水平约束使梁截面在变形过程中产生横向压力,抗弯约束直接限制刚体转动,均有效降低了梁位移动力系数,相对提高结构的承载力。相同约束刚度和荷载峰值条件下,平台荷载下结构的位移动力函数均高于三角形荷载下位移动力函数,说明动荷载的作用时间越长,对结构承载越不利。另外考虑屈服弯矩的动力增强系数时,可提高结构的抗爆潜力。     

直立式非灌浆桩腿导管架平台超常态振动研究

通过理论分析和有限元计算，提出了非灌浆桩腿导管架平台在不同状态下刚度的简化计算公式，揭示了具有直立式非灌浆桩腿的导管架平台桩、腿间的相对运动使平台的服径状态与设计模型发生的较大变化，使平台的动力特性偏离了设计值，导致平台在正常海况条件下发生了超常的振动。计算结果表明，桩、腿存在相对运动时，平台的一阶频率降低了50％左右，对环境荷载的响应增大了6倍左右。     

饱和土中摩擦桩竖向振动解析解及应用

采用与频率相关的桩土接触面模型建立了三维轴对称条件下摩擦桩在饱和土中的竖向耦合振动模型,通过势函数分解法和分离变量法求解了饱和土动力固结方程,利用桩土耦合条件得到摩擦桩竖向振动解,对桩周剪应力分布、桩顶的频率和时域响应进行了参数研究.结果表明,桩底支承系数和桩土接触面动刚度对桩土荷载传递有明显影响,频率相关的阻尼系数可...     

轴向荷载作用下单桩沉降的非线性分析

将单桩简化为受侧摩阻力的弹性杆单元,土体简化为均质弹性半空间无限体。以桩顶荷载作用下桩单元的变形、结点位移及结点力作为中间变量,依据弹性半空间无限体的Mindlin解以及桩-土相对滑动的性质,建立了土体的位移方程、接触面的平衡方程,并以此构造了以结点位移为基本未知量的非线性方程组。求解包含桩顶位移在内的各结点位移后,可进一步计算单桩及接触面的内力、土体的位移等。考虑了桩-土相对滑动及桩底沉降的非线性性质,所建立的桩-土体系分析模型力学机理简单、明确,便于应用,分析结果与试验结果较为符合。     

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。     

高层建筑复合桩基中单桩的承载性状分析

复合桩基是一种充分利用桩间土、桩土共同作用的桩基础型式。在其中,确定桩体的承载力是非常重要的。基于一个应用复合桩基的高层建筑的工程实例,通过有限元对其整体建筑进行了随楼层荷载增加的三维非线性数值模拟。分析结果表明处于不同位置的桩(即角桩、边桩、中桩)的承载能力是不同的,单桩承载力的确定应将桩体浅层5d―10d(d为桩体直径)长度内的摩阻力剔除。本工程实例应用并验证了这些规律。     

基于PIV技术的沉桩过程土体位移场模型试验研究

基于粒子图像测速(PIV)技术,利用自行设计的静压桩自动沉桩模型试验系统,对沉桩过程中桩周土体位移场进行测量。在沉桩过程中,利用CCD(charge coupled device)高速工业相机连续拍摄试验观测面上桩周土体变形的灰度图像,然后对初始点和峰值点进行分析,得到位移场分布。研究了不同沉桩深度、桩-土摩擦系数和桩尖形式情况下沉桩对周围土体位移场的影响规律;相应试验结果与圆孔扩张理论解进行对比分析,其径向位移变形的规律基本一致,验证了模型试验的可靠性。相对常规试验方法,该试验操作简便,对环境要求不高,可以进行非插入式全场测量。研究结果表明:在该文试验条件下,对于平底圆桩,沉桩过程对桩侧土体位移影响范围在8R附近,对桩端底部土体影响范围在4R附近;桩身摩擦的存在使得桩侧向土体位移影响范围增大2R左右,对桩端底部土体位移基本没有影响。当桩尖角度由0°变化为45°时,桩侧的水平和竖向位移均增大,桩端底部的竖向位移明显减小;而桩身摩擦对其水平位移和竖向位移影响不大。     

考虑土体径向位移时桩土耦合纵向振动特性及其应用

从三维轴对称土体模型出发,同时考虑土体竖向和径向位移,对完整端承桩在垂直谐和激振力作用下与土的耦合纵向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,从而将土体动力平衡方程解耦,求解得到了土体的振动模态形式,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,得到了桩的频域响应解析解、桩顶复刚度和速度导纳。利用所得解对土体动力反应特性和桩的纵向振动特性进行了无量纲参数分析,得到了许多新的结论。     

饱和粘土中挤土桩球形孔扩张的弹塑性分析

将桩体的贯入模拟为球形孔扩张过程,基于球形孔扩张理论,在大变形假定情况下,结合修正剑桥模型及水力压裂理论,由最小耗能原理从能量的角度推导出了饱和粘土中挤土按球形孔扩张后,土体整个范围内,包括弹性区、塑性区、破坏区内的应力、位移及超孔隙水压力分布的解析解,并分析了土的超固结比对结果的影响,和其他文献的比较结果证明了理论解析解的准确性。其结论可为饱和土地区的静压桩、打桩等岩土工程问题提供理论依据。     

考虑位移的土压力理论在支护桩受力分析中的应用

针对支护桩所受土反力与土体位移呈非线性关系的问题,通过引入梅国雄提出的考虑位移的土压力计算方法,将计算方法中的土压力代换单桩挠曲四阶微分方程中的土反力,得到一个四阶变系数非齐次非线性常微分方程;然后根据支护桩位于基坑底面上、下所处受力状态的差异和桩顶的初值条件,采用泰勒级数解法求出支护桩任意深度处的挠度解析解;再根据桩体的挠度计算出桩周土体的位移量,并得到桩周土反力的计算式;由此便可计算桩身任意深度以及该深度截面上任意点处的受力情况,使得问题的求解更简捷。最后还给出了计算实例来验证所采用的方法以及所推导出的公式的正确性。     

大桩群基桩广义剪切位移Unit Cells模型

基于Unit Cells和剪切位移原理, 引入镜像桩-桩的弹性耦合原理, 建立了考虑大桩群相互作用的基桩荷载传递剪切位移单元模型;并引入桩土剪切位移与相对滑移叠加的广义剪切位移概念, 推导出了基桩单元模型的广义剪切位移解析表达式, 提出了根据桩端位移协调条件迭代求解的方法。通过算例分析, 揭示了疏桩间距、荷载水平对疏桩地基减沉效果的重要影响, 阐明了疏桩与基体的荷载位移传递特征, 以及桩顶相对位移、桩端持力层刚度对疏桩基体体系工作性状的影响机制, 且验证了该模型的正确性和算法的灵活性。     

Finite–infinite element for dynamic analysis of axisymmetrically saturated composite foundations

The formulations of axisymmetrically infinite elements for dynamic analysis of vertical vibration problems in unbounded saturated composite foundations are presented. The theoretical basis as well as the implementation of the elements is discussed, and the element decay functions are derived using the analytical solutions of axially symmetric configurations. Using the proposed finite–infinite element method, the surface vertical displacements of air‐saturated soil (‘dry’ soil) and of water‐saturated soil with extremely low permeability subjected to a surface point excitation (called as the Lamb's problem) are calculated and the results agree very well with the existing theoretical solutions of single‐phase elastic media. As an application, the velocity admittances of a concrete block resting on cement mixing‐pile or gravel‐pile saturated composite foundations are calculated. The influence of soil permeability and pile rigidity on the dynamic response of the composite foundations is investigated. The method proposed by this paper is a simple and reliable numerical one that could be used to study axisymmetrically dynamic problems of layered saturated media and to get the mechanism of dynamic testing on single‐pile saturated composite foundations. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

On contact zone models for an electrically limited permeable interface crack in a piezoelectric bimaterial

An electrically limited permeable crack with a frictionless contact zone at the right crack tip between two semi-infinite piezoelectric spaces under the action of a remote electromechanical loading is considered. Attention is focused on the influence induced from the permittivity of the medium inside the crack gap on the contact zone length and the fracture mechanical parameters. Assuming the electric displacement constant inside the open region of the crack, the problem is reduced to a combined Dirichlet-Riemann and Hilbert boundary value problems which have been solved exactly. Stress and electric displacement intensity factors as well as the crack tip energy release rate are found in a clear analytical form. Furthermore, transcendental equations for the determination of the real contact zone length have been obtained for a general case and for a small contact zone length in an especially simple form. The dependencies of the mentioned values on the intensities of the electromechanical loading are presented in tables and associated diagrams.