层状非饱和土中端承桩竖向振动响应的半解析算法

为了探究层状非饱和土中桩基的竖向振动响应，基于非饱和土动力控制方程，考虑基质吸力、三相(固相、液相和气相)压缩特性和饱和度对动剪切模量的影响，结合Euler-Bernoulli杆理论，建立三维轴对称简谐荷载作用下层状非饱和土中端承桩的竖向振动响应模型。利用Laplace变换、势函数法和算子分解法求解土体波动方程，通过桩–土耦合条件和阻抗函数传递性求解桩顶动力阻抗频域响应的解析解，利用傅里叶逆变换和卷积定理得出桩顶时域响应的半解析解。验证所得解的正确性后，研究分层土的模量比和厚度比对桩顶动力响应的影响。计算结果表明：土层上硬下软时，桩顶动刚度与阻尼的波动性减弱，导纳存在“小峰夹大峰”现象，峰值变大，反之，导纳呈“大峰夹小峰”。相比于上下均质土，桩底反射信号明显减弱。软土层越厚，桩顶动力响应的振荡幅值越大，土层厚度不一时，速度时程曲线中土层分界面出现反射信号，反射位置与土层分界位置密切相关。     

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。     

层状横观各向同性饱和地基中桩基的纵向耦合振动

基于层状横观各向同性饱和土地基模式,研究了桩基在饱和土体中的纵向耦合振动问题。首先,根据饱和介质三维波动理论的Biot模型,利用Hankel变换,给出横观各向同性饱和土波动方程的轴对称通解;利用通解,建立了饱和土层的精确动力刚度矩阵,进而构建出盘面和竖向柱面荷载作用下,土体与结构动力相互作用的Green函数;其次,根据桩-土界面的位移协调及平衡条件,用边界单元法构建了层状饱和地基与桩相互作用的动力方程和计算公式,给出求解层状横观各向同性饱和地基与桩基纵向耦合振动的一般解法。算例表明:土介质的各向异性参数、饱和土孔隙率和桩-土模量比,对低频振动桩的动力刚度影响不大,但对高频振动影响显著。     

基于黏性流体力学的液化土中桩基桩顶阻抗研究

将液化后的土体视为流体，考虑液化土的黏性，研究了黏性液化土体中端承桩的水平振动问题。用黏性流体运动方程模拟液化后土层的运动，用饱和多孔介质模型模拟饱和未液化土层，联系桩-流体耦合条件运用势函数法、分离变量法得到黏性流体水平振动解析解。利用上层液化土和下层饱和非液化土分界面的位移、转角和内力连续条件得到黏性液化土-饱和土分层条件下的桩顶阻抗解析表达式，将理论解与有限元解进行对比验证了解的正确性，对端承桩桩顶阻抗进行参数分析，表明在分析液化土中桩基桩顶阻抗时，需要考虑液化土的黏滞特性，以免造成刚度阻抗的高估和阻尼阻抗的低估。     

非饱和土地基中端承桩对SH波的水平地震响应

为探讨非饱和土地基中SH波作用下端承桩的水平地震响应,先基于一维波动理论得出SH波引起的土层自由场水平振动解,然后考虑非饱和土体动剪切模量随其饱和度的变化特性,采用三维连续介质力学和Euler梁模型建立轴向静荷载下非饱和土-端承桩水平耦合振动模型,进而通过引入势函数和分离变量法推导出桩顶水平位移相互作用因子、桩顶水平位移放大因子和桩身曲率比的表达式,经与已有成果对比验证后再经参数分析,获得土体饱和度、桩身长径比和土体黏滞阻尼对桩身水平抗震特性的影响规律：土体饱和度和桩身长径比仅在高频范围对相互作用因子和放大因子有显著影响;土体黏滞阻尼仅在共振频率使得相互作用因子和放大因子分别逐渐增大和减小。     

成层地基中海洋高桩基础水平动力阻抗分析

建立考虑桩–流体动力相互作用的分析模型,对成层地基中海洋高桩基础水平振动响应进行理论研究。首先应用分离变量法并结合流体运动边界条件和辐射条件,求解流体运动方程,得到动水压力解。其次通过引入势函数并结合土体振动边界条件,求解土体振动方程,得到了土体动反力解。进而利用桩–流体及桩–土体耦合连续条件,得到层状土中海洋高桩基础水平振动响应解析解,给出桩顶动力阻抗解析表达式。通过与已有文献解对比,验证本文解的正确性。最后通过参数分析,研究动水压力、水深、土体模量和土层厚度对桩顶动力阻抗的影响规律。结果表明:水深和表层土体性质对海洋高桩基础水平动力阻抗会产生较大影响,忽略桩–流体动力相互作用会高估海洋高桩基础桩顶水平动刚度。     

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。     

Rayleigh波作用下非饱和土中单桩水平振动解

非饱和土在自然环境和工程界中普遍存在，对于Rayleigh波作用下非饱和土中单桩的水平振动响应，目前仍没有较完善和准确的理论计算方法。针对该问题，基于三维连续介质力学，先求解非饱和多孔介质波动方程得到Rayleigh波弥散特性下土体的自由场振动响应，再利用平面应变模型和动力Winkler模型模拟非饱和土和桩的耦合振动，进而引入桩土边界条件、势函数并采用分离变量法推导出桩顶水平位移相互作用因子的表达式，并通过其退化解与已有文献中的解的对比验证了本文模型的合理性。利用所得解分析了土体的饱和度、泊松比及桩土模量比对桩身水平动力特性的影响规律。结果表明：随土体饱和度增加，相互作用因子逐渐减小，当饱和度大于0.999时整个桩身的水平位移才出现较为明显的减小；相互作用因子随土体泊松比增加而逐渐减小，且减幅随激励频率的增加而增大；桩土模量比增加时，相互作用因子减小且减幅逐渐变弱，最终稳定于一常值，同时激励频率的增加会导致到达稳定值所对应的桩土模量比越小。     

考虑波动效应的SH简谐地震波作用下单桩水平振动研究

借助于土体的一维波动模型求解了SH简谐地震波作用下土层的水平振动,从三维轴对模型出发考虑桩周土的水平波动效应,通过引入势函数并运用分离变量法在考虑桩–土相互作用的情况下求解了SH简谐地震波作用下由于桩土相互作用引起的土层的径向位移、水平位移以及土体对桩基的水平作用力,并在此基础上建立了SH简谐地震波作用下桩基的水平振动方程,借助于三角函数的正交性和桩–土接触面处的连续条件求得了桩基的水平位移。借助于放大因子的概念研究了SH简谐地震波对桩顶水平位移的影响。研究表明：SH简谐地震波作用下桩基的动力响应存在有共振现象;放大因子随频率的变化曲线存在3个峰值,前两个峰值相对较大;当桩土模量比较大时桩土模量比对放大因子几乎没有影响。     

三维饱和层状土–虚土桩–实体桩体系纵向振动频域分析

为分析饱和土中浮承桩纵向振动特性,基于Biot波动理论提出一种桩底饱和虚土桩模型,并建立三维饱和层状土–虚土桩–实体桩耦合纵向振动体系定解问题。采用势函数法、桩–土耦合条件及阻抗函数传递性求解得出桩顶纵向振动动力阻抗解析解答,并通过多元退化验证所提出解析解的正确性。在此基础上,对浮承桩纵向振动特性影响因素进行参数化分析,结果表明:当桩底土饱和性显著且排水性较差时,桩底土单相虚土桩模型会过低估计阻抗曲线共振频率,宜采用饱和虚土桩模型和所得相关解析解答分析浮承桩纵向振动特性。桩周饱和软(硬)夹层对桩顶动力阻抗曲线振幅水平影响显著,而桩底软(硬)下卧夹层则对桩顶动力阻抗曲线影响很小。桩周饱和表层土体孔隙率仅对桩顶动力阻抗曲线共振幅值产生明显影响,而桩底饱和土层孔隙率对桩顶动力阻抗曲线共振幅值和共振频率均影响显著。     

复杂结构–桩–土体系下的桩–土动力p–y曲线

以天津站交通枢纽工程为背景,开展了复杂结构–桩–土相互作用振动台模型试验,研究了桩土相互作用的动力特性。运用弹性地基梁理论,得出弯矩时程和土压力,采用实测桩的加速度值积分求得桩的位移,得到桩–土动力 p – y 曲线,求出了不同深度及不同时间段阻尼与弹簧刚度系数分布规律。研究表明：受底部筏板的影响,阻尼与土弹簧刚度沿桩身分布可近似考虑成分段线性,分段点约在桩身上部 1/3 范围处。阻尼与弹簧刚度均随埋深的增加而增大;随着地震动的持续,阻尼基本稳定,只在桩底略有增大;弹簧刚度随振动时间持续有所降低,且随埋深增大,其降低的幅度越大。     

NHRI-4000型高性能大接触面直剪仪的研制

介绍了NHRI-4000型高性能大接触面直剪仪研制与运用情况。采用数字PID模糊控制方式,实现垂直荷载和水平荷载的控制精度;采用MCS51单片机控制单元和多机通信等方式,实现垂直荷载和水平荷载的控制;在硬件电路上采用低通滤波等办法,在软件方面采用定量预测方法平滑测试信号,实现了传感器测量稳定性要求;引入Spcomm控件和定时控件,运用Delphi语言进行编程,实现了自动控制、自动采集、实时绘图等功能。     

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。     

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。     

考虑桩底土层波动效应的饱和黏弹性半空间中摩擦桩竖向振动

为深化对饱和黏弹性半空间地基中摩擦桩竖向振动特性的认识,基于Boer多孔介质动力控制方程组,考虑桩底土层波动效应,采用Hankel积分变换和微分算子分解理论求解相关方程得到桩底、桩侧反力,进而建立饱和土中桩基竖向振动偏微分方程,结合桩土接触面混合边值条件推导得出了饱和黏弹性半空间地基中摩擦桩桩顶竖向动力阻抗解析表达式。并在此基础上进一步通过数值算例对比分析探讨了液固耦合系数、桩长径比、桩土模量比、地基土黏滞阻尼系数这些重要因素对所得桩顶动力阻抗的影响规律,得到了一些对工程实践有意义的结论。     

饱和土中单桩在瑞利波作用下的动力响应

研究了频域内半空间饱和土中单桩在瑞利波作用下的动力响应。首先利用Muki的虚拟桩方法,将桩土共同作用问题分解为拓展的半空间饱和土和虚拟桩的叠加。拓展的半空间饱和土用Biot理论求解,而虚拟桩则用杆和梁的振动理论求解。利用半空间饱和土的基本解和自由波场解及桩、土间变形协调条件,建立了桩土共同作用的第二类Fredholm积分方程。对积分方程的数值求解可得桩在瑞利波作用下的动力响应。数值结果显示了饱和土的渗透系数、桩土相对刚度及入射波的频率对桩的动力响应有显著影响。     

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。     

考虑横向惯性效应时楔形桩纵向振动阻抗研究

 基于Rayleigh-Love杆模型,研究考虑横向惯性效应时成层土中楔形桩的纵向振动问题。首先,根据桩周土的成层性并考虑楔形桩的变截面特性,将桩土系统沿纵向划分为有限个微元段。然后,运用Laplace变换技术和阻抗函数递推方法,在平面应变条件下推导得到成层土中楔形桩纵向振动时桩顶复阻抗的解析解。最后,采用参数研究方法,在低频范围内分析楔形桩设计参数对桩顶复阻抗的影响,并将同体积时的楔形桩与均匀截面桩的桩顶复阻抗进行对比。结果表明：(1) 楔形桩其他设计参数不变时,动阻尼随着楔角的增大而增大,动刚度也随着楔角的增大而增大,但增大的幅度会随着频率的增大而逐渐减小;(2) 楔形桩其他设计参数不变时,动刚度随着桩长的增大而减小,动阻尼随着桩长的增大而增大;(3) 对等体积的楔形桩与均匀截面桩,当桩长相同时,楔角越大,动刚度越小,动阻尼越大;当桩端截面积相同时,楔角越大,动刚度越大,动阻尼先增大再减小。     

地面横向往返运动下可液化土层中桩基响应机理

通过非液化和液化土层中桩基础宏观震害现象以及等幅波与真实地震波振动台模型实验中桩和土层的加速度、位移、桩土相互作用力、桩动力p-y曲线、桩身弯矩与孔压发展过程对比,研究地震引起的地面横向往返运动下可液化土层中桩基响应机理.结果表明:非液化土层中上部结构惯性力控制着桩的反应性态,桩头加速度和桩身弯矩与土层加速度时程基本保持一致;液化过程中桩土相互作用力呈现明显增大现象,土体侧向刚度虽然衰减,但同时土层相对位移和桩土相对位移增大的影响更为强烈,即土层和桩土相对位移对桩土相互作用力增大的作用明显大于土体刚度衰减引起桩土相互作用力减小的作用;液化土层中桩土相互作用最大反应不是在土层加速度峰值时刻,而是土体相对位移达到最大时响应最大,此时土层孔压比为0.8左右;非液化土层中桩土相互关系为桩推土,惯性力是控制因素,液化土层中则为土推桩,土体位移起主要作用,而液化发展是这一转变决定性因素;常规仅考虑土体刚度衰减的拟静力方法不适合液化土层中桩基础地震响应计算分析.