考虑桩土耦合作用时弹性支承桩纵向振动特性分析及应用

从三维轴对称角度对弹性支承桩与均质土耦合作用时的纵向振动特性进行了研究分析。假定桩为竖直弹性均匀截面桩,土为线性粘弹性体,其材料阻尼为滞回阻尼,首先通过对土层进行求解得到其振动位移形式解,然后利用该解并以小应变条件下桩土接触界面位移连续来考虑桩土的耦合作用,来分析基桩的动力反应,研究得到了弹性支承桩在谐和荷载作用下频域响应函数解析解,并利用所得解对土层动力反应特性以及桩土体系的振动特性进行了分析,得到了一些新的结论,最后将该理论解与桩顶实测导纳曲线进行了拟合比较,两者较为一致。     

考虑桩土耦合作用时桩基扭转振动特性研究

假设桩周土层为均质线性粘弹性体,土材料阻尼为粘性阻尼,桩为竖直弹性均匀圆形截面桩,从三维轴对称角度,对考虑桩土耦合作用时桩基扭转振动桩顶频域振动特性进行了理论研究。利用拉普拉斯变换,首先通过对土层进行求解得到其振动扭转角位移形式解,然后利用该解并以小应变条件下桩土接触界面位移连续来考虑桩土的耦合作用,来分析基桩的动力反应,研究得到了考虑桩土耦合作用时桩顶扭转频域响应函数的解析解。基于所得解对桩土系统的扭转振动特性进行了对比和分析,并重点探讨了桩侧土粘性阻尼对桩顶响应的特殊影响,校验了基于平面应变假定桩基扭转振动理论解的精确性。     

考虑桩土非完全粘结及桩底土波动效应的浮承桩纵向振动特性研究

为合理考虑浮承桩纵向振动问题中桩端土作用及桩-土界面相对位移条件,同时引入动力Winkler模型和虚土桩模型,建立了一种适用性更广的浮承桩纵向振动特性研究方法。引入分离变量法对三维土体位移控制方程进行求解,结合土体表面及基岩处边界条件得到三维土体位移基本解;通过将动力Winkler模型相关参数考虑为桩-土界面边界条件在频域内解析求解了桩纵向振动特性,并将所得频域解析解拓展到时域,采用离散傅里叶逆变换方法（IFT）求解了桩顶速度时域响应;开展参数化分析探讨了桩-土界面非完全粘结条件及虚土桩参数对浮承桩动力响应的影响,计算结果表明：桩-土界面完全耦合假定会过高估计桩侧土对桩的约束作用,无法合理评估桩基的抗振性能,并会对桩基抗振防振设计及桩底反射信号识别产生不利影响;另外,针对浮承桩纵向振动问题,采用虚土桩模型描述其桩底土作用具有合理性和必要性。     

考虑横向惯性效应时黏弹性支承桩纵向振动特性研究EI北大核心CSCD

考虑土体三维波动效应及桩身横向惯性效应,建立了均质滞回阻尼土中黏弹性支承桩受稳态或瞬态纵向激振时的定解问题,并获得了严格桩土耦合条件下的解析解。首先,将桩底土层对桩及桩侧土层的作用简化为均布Vogit体,桩视为Rayleigh-Love杆,利用土体三维轴对称振动方程,土层边界条件,以及桩与桩侧土接触面上的纵向和径向位移连续条件,求解得到桩侧土作用在桩身的剪切复刚度。然后,结合桩底黏弹性支承条件,推导得到桩顶复阻抗函数的解析解。最后,采用参数分析方法,研究了横向惯性效应对单桩桩顶动力响应的影响规律及其与桩及土层参数的关系。结果表明:相对于不考虑横向惯性效应,计及横向惯性效应时单桩纵向振动特性的差异受桩及土共同的影响。     

考虑横向惯性效应时黏弹性支承桩纵向振动特性研究

考虑土体三维波动效应及桩身横向惯性效应,建立了均质滞回阻尼土中黏弹性支承桩受稳态或瞬态纵向激振时的定解问题,并获得了严格桩土耦合条件下的解析解。首先,将桩底土层对桩及桩侧土层的作用简化为均布Vogit体,桩视为Rayleigh-Love杆,利用土体三维轴对称振动方程,土层边界条件,以及桩与桩侧土接触面上的纵向和径向位移连续条件,求解得到桩侧土作用在桩身的剪切复刚度。然后,结合桩底黏弹性支承条件,推导得到桩顶复阻抗函数的解析解。最后,采用参数分析方法,研究了横向惯性效应对单桩桩顶动力响应的影响规律及其与桩及土层参数的关系。结果表明:相对于不考虑横向惯性效应,计及横向惯性效应时单桩纵向振动特性的差异受桩及土共同的影响。     

双向非均质黏性阻尼土中桩基扭转振动频域阻抗解答与分析

基于三维连续黏性阻尼介质理论和径向多圈层复刚度传递模型,综合考虑桩周土径向非均质效应和纵向成层性,建立双向非均质土体中桩基扭转振动简化分析模型。采用拉普拉斯变换和复刚度传递法求解得出土体位移形式解,进而利用桩-土耦合条件将该形式解耦合进桩身动力平衡方程中,并通过扭转阻抗传递法推导得出桩顶扭转阻抗解析解答。将该解退化并分别与均质土及径向非均质土中的解答进行对比验证其合理性。在此基础上,通过参数化分析探讨了桩周土施工扰动程度和扰动范围、扩颈及缩颈缺陷对桩顶扭转阻抗的影响规律,可为具体工程实践提供理论指导和参考作用。     

桩与粘性阻尼土耦合纵向振动时桩顶时域响应研究

假设桩周土层为均质粘弹性体，土材料阻尼为粘性阻尼，从轴对称角度，对任意激振力作用下弹性支承桩与土耦合纵向振动时的桩顶时域响应进行了理论研究，求得桩顶位移阻抗函数解析解，给出半正弦脉冲激振力作用下桩顶速度时域响应半解析解。基于所得解对桩土系统的振动特性进行了分析，重点探讨了桩侧土粘性阻尼的特殊影响，得到若干新的结论，最后将理论解与现场工程桩实测曲线进行了拟合对比，表明本文理论结果能够更好地反映客观实际。     

非饱和土中端承桩纵向振动问题简化解

基于单相流固结理论与Bishop有效应力原理,研究了单相流条件下非饱和土中端承桩的耦合纵向振动问题。建立了简化条件下非饱和土体的动力平衡方程,通过引入拉普拉斯变换和势函数对此方程进行解耦,并采用算子分解理论及分离变量法求得土体纵向振动位移形式解。依据桩土系统的边界和衔接条件,进而得到了桩顶动力响应的闭合形式解,并研究了主要参数对桩顶速度导纳和速度时域响应的影响。结果表明,桩长径比和桩土模量比对桩顶动力响应有着显著的影响,而吸力折减系数对其基本上没有影响。     

低承台管桩纵向自由振动特性分析

基于广义Voigt模型和附加质量模型,研究了低承台管桩的纵向自由振动特性。首先,根据承台和管桩周围土体的性质,建立了承台、管桩、桩侧土以及土塞纵向自由振动的控制方程;然后,结合承台-管桩-土系统的耦合条件,采用Laplace变换技术及阻抗函数传递法,求解得到了承台纵向自由振动位移的频域解析解及时域半解析解。最后,分析了附加质量模型中Voigt模型参数的敏感性区间,并将该解退化与已有解进行对比,验证了该解的合理性;讨论了桩身参数、土塞、桩侧土及承台周围土体对低承台管桩纵向自由振动特性的影响规律。结果表明:桩身参数、土塞、桩侧土及承台周围土体对低承台管桩纵向自由振动特性有明显影响,为低承台管桩基础的防震减震设计提供了一定的理论依据。     

非均质土中不同缺陷管桩纵向振动特性研究

基于复刚度传递径向多圈层平面应变模型,采用黏性阻尼模型描述桩周土材料阻尼,考虑地基土纵向成层特性,建立径向非均质、纵向成层土中变截面和变模量管桩纵向振动简化分析模型,采用Laplace变换和复刚度传递方法,递推得出桩周、桩芯土体与管桩桩体界面处复刚度,进而利用桩土完全耦合条件和阻抗函数传递性,推导得到变模量和变截面管桩桩顶动力阻抗解析解答,并与已有相关解析解进行退化验证其合理性;通过进一步参数化分析探讨了桩身变模量段、缩颈、扩径及变模量、变截面位置对管桩纵向振动动力响应特性的影响规律,可为具体工程实践提供理论指导和参考作用。     

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。     

桩与粘性阻尼土耦合扭转振动时域响应研究

假设桩周土层为均质粘弹性体,土材料阻尼为粘性阻尼,从轴对称角度出发,对任意激振扭矩作用下弹性支承桩与土耦合扭转振动时的桩顶时域响应进行了理论研究,求得桩顶扭转角阻抗函数解析解,给出半正弦脉冲激振扭矩作用下桩顶速度时域响应半解析解.基于所得解对桩土系统的扭转振动特性进行了分析,讨论了桩土耦合扭转振动条件下长径比、波速比、桩底支承条件等因素对桩顶时域响应的影响,探讨了桩侧土粘性阻尼的特殊影响,得到若干新的结论.     

A numerical study of piled raft foundations

Abstract

This paper presents raft‐pile‐soil interaction for a vertically loaded flexible piled raft on layered subsoil using a two‐dimensional finite difference numerical tool. The subsoil is modeled as a linear elastic material and the raft is modeled as a beam structure under plane strain. In addition, the piles are simulated by a series of pile elements considering the pile/soil interface behavior. In the simulations, the required input parameters of soil, pile and interface are determined by back analyses of pile loading tests. Settlement, bending moment, both in pile and raft, as well as effects of raft flexibility for vertical uniform loading in the subsoil were examined. It is found that even though for vertical uniform loading, a relatively high bending moment may be induced in the piles due to lateral displacement of the stressed subsoil. For the case of a piled raft placed over a soft clay layer at ground surface the contact pressure at the raft‐soil interface is merely 4 ～ 6% of that developed in the unpiled raft. Nevertheless, the contact pressure may reach 15 ～ 25% of that of the unpiled raft if the piled raft is resting on a sand layer at the ground surface. This implies that the loading carried by the pile group could be reduced by almost 1/4 of the design load and it could eventually reduce the cost of pile group construction to a certain extent.     

瑞利波作用下径向非匀质地基中的单桩竖向响应研究

在单桩动力响应简化算法研究的基础上，提出了一个用于计算瑞利波激励下的单桩竖向动力响应的简化解析方法，得到了桩底固支时单桩竖向动力位移分布的闭合解。采用考虑桩周土的非匀质性的Novak薄层法计算地基土动力阻抗的方法，获得桩底固支时单桩竖向动力响应的计算公式。分析结果表明非匀质区刚度与匀质区刚度比、非匀质区大小对单桩竖向动力位移响应有一定影响。     

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。     

成层饱和土中桩纵向振动特性研究及应用

采用Winkler地基模拟土层间的相互作用,建立了三维轴对称条件下饱和成层土中弹性支承桩纵向振动的简化模型,通过势函数分解和分离变量方法得到饱和土层的振动形式解,进而利用桩土完全接触条件求解出任一桩段的耦合振动解,根据复阻抗传递原理得出桩顶频域响应解析解和时域响应半解析解,在此基础上,分析了分层模型的合理性以及土层参数对桩顶动力响应的影响,最后结合工程实例对比了分层模型和单层模型,结果表明,采用分层模型可以取得更好的拟合效果。     

海洋环境下桩-土相互作用问题的数值解

考虑波压力对海床土体应力状态的影响,基于Biot固结理论及虚拟桩技术对海洋桩-土相互作用体系进行了数学建模,并应用FlexPDE对所建立的数学模型进行了数值求解,得到了作用在桩体上的侧向土压力、桩体周围土体有效正应力以及自由场土体相对水平位移和相对垂直位移的分布,这些结果可为海洋桩基的设计与监测提供依据。