分数导数黏弹性模型描述的土中单管桩的水平振动

将土体视为黏弹性介质,采用分数阶本构方程描述黏弹性土应力-应变关系,建立并求解了在轴对称坐标下单桩桩周-桩芯土水平振动控制方程,得到分数阶黏弹性土体单桩水平动力阻抗的解析解形式.通过数值算例分析了桩土常数和模型参数对单桩水平动力阻抗的影响.结果表明:桩周土的分数微分算子阶数对单桩水平动力阻抗影响较大;桩芯土和桩周土的本构模型常数会对水平动力阻抗刚度因子产生明显影响,而对阻抗因子的影响相对较小.     

部分外露摩擦管桩的扭转振动研究

将管桩下面土体视为虚土管桩,管桩与桩周土和桩芯土的扭转动力相互作用等效为动力扭转Winkler弹簧-阻尼器,建立了部分外露摩擦管桩的扭转振动模型.考虑土层边界条件,通过求解Bessel方程得到了桩周土和桩芯土对管桩的扭转作用,得到了动力扭转Winkler弹簧-阻尼器的刚度系数和阻尼系数.考虑虚土管桩、埋入部分管桩和外露部分管桩的连续性边界条件,运用初始参数法和传递矩阵法得到了部分外露摩擦管桩桩顶的扭转复刚度.通过数值算例分析和讨论了管桩几何参数、物理参数和土体物理参数对部分外露摩擦管桩扭转复刚度的影响.研究结果表明:管桩下面土层厚度对部分外露摩擦管桩扭转复刚度的影响较小,当埋入部分管桩的长度达到一定程度时,管桩底部约束条件对管桩扭转振动的影响很小;埋入部分管桩和外露部分管桩长度对部分外露摩擦管桩扭转振动的影响较大;部分外露摩擦管桩管壁过薄或桩芯土剪切模量较小时对管桩稳定不利;增大埋入部分管桩对应土层的剪切模量对提高部分外露摩擦管桩的稳定性有利.     

三种黏弹性本构模型描述的土中单桩的扭转振动

针对土体中单桩的扭转振动问题,分别采用Kelvin黏弹性模型、三参数固体黏弹性模型和分数阶黏弹性(FDV)模型描述桩周土体的本构关系,对黏弹性土体和土体中单桩的扭转振动进行了求解,并对3种模型描述的黏弹性土中单桩的扭转振动进行了分析,讨论了有关参数对单桩扭转振动的影响.结果表明:三参数固体模型描述的土中单桩扭转振动的复刚度实部和虚部随频率变化曲线较其他两个模型波动要小,黏弹性土体中单桩的扭转振动特性与本构模型有关,经典黏弹性模型的桩顶扭转复刚度要比分数阶模型的复刚度大.     

部分外露悬浮管桩水平动力阻抗分析

将部分外露悬浮管桩下面对应的土体视为虚土管桩,利用Winker弹簧-阻尼器模型来刻画桩周土、桩芯土与管桩的动力相互作用关系,建立了部分外露悬浮管桩的水平振动模型.通过求解桩周土和桩芯土层水平振动,得到了桩周土和桩芯土对部分外露悬浮管桩的水平作用;运用初始参数法和传递矩阵法,得到了部分外露悬浮管桩的水平动力阻抗.数值分析结果表明:管桩下土层厚度较小时,桩端边界条件对部分外露悬浮管桩水平动力阻抗的影响不大;外露部分的桩长影响水平动力阻抗实部和虚部随频率的变化规律;管桩内半径即管桩壁厚和管桩与土体剪切模量比对管桩水平动力阻抗的影响较大,且在低频时的影响规律与频率有关.     

基于连续介质力学模型的部分埋入单桩的纵向振动研究

采用连续介质力学模型,考虑桩-土之间的连续条件和边界条件,得到了土体的纵向振动位移,建立了埋入和外露部分桩基的纵向振动微分方程.考虑埋入和外露部分桩基的连续条件和边界条件,求解了部分埋入单桩的纵向振动,并以数值算例的形式讨论了桩基埋入深度和桩土模量比对桩顶复刚度的影响.通过参数分析和讨论,表明部分埋入桩纵向简谐振动存在共振现象,桩基的埋入深度和桩土模量比对桩顶复刚度有较大影响,且桩基外露部分越长,桩顶复刚度随频率变化曲线波动越厉害.     

积分型黏弹性土中球形空腔的稳态振动分析

在球对称情况下,利用积分型黏弹性本构关系建立了土体的振动微分方程。采用积分型分数阶Kelvin黏弹性本构关系描述土体的应力应变关系,借助Fourier变换和势函数求解了积分型分数阶黏弹性土中球形空腔的稳态振动,考虑边界条件得到了球形空腔的径向位移和应力。研究结果表明:分数导数的阶数、无量纲化的土体阻尼比和土体的模量比,对积分型分数阶黏弹性本构关系描述的土中球形空腔的稳态振动有较大的影响,分数导数的阶数和土体的模量比对球形空腔稳态振动的影响与频率有关。     

成层土中管桩的扭转振动特性研究

考虑土体材料的黏性阻尼和桩-土体系的扭转耦合振动,研究了成层黏弹性地基中管桩的扭转振动问题.首先,采用分离变量法求解得到土体扭转振动位移形式解;然后利用阻抗函数传递方法,求解得到了成层地基中桩顶阻抗函数的解析解;最后通过数值算例分析了桩周土与桩芯土的物理力学参数、管桩壁厚以及桩端阻抗函数对管桩桩顶复刚度的影响.分析结果表明,在动力基础设计所关注的低频段,桩周土的剪切模量和黏性阻尼系数对桩顶复动刚度的影响要远大于桩芯土;桩端位移阻抗函数的选取对桩顶复刚度有明显的影响.     

基于分数导数模型的粘弹性桩振动分析

研究成果表明混凝土桩具有粘弹性性质,为了准确分析粘弹性桩的振动特性,必须建立准确的粘弹性本构模型.在分数导数理论、粘弹性理论、应力波理论的基础上建立了基于分数导数模型的粘弹性桩的振动方程,利用Zhang-Shimizu分数导数数值积分法得到了基于分数导数模型的粘弹性桩的振动方程数值解.分析结果表明,分数导数微分算子的阶数和粘弹比对粘弹性桩桩端速度衰减的快慢和衰减周期等有很大的影响.     

Timoshenko模型桩水平振动的动力刚度

基于桩-土相互作用的连续介质模型,利用桩的水平振动土阻抗结果,将桩等效为Timoshenko梁,研究线性黏弹性土层中Timoshenko模型端承桩水平振动的动力特性,给出频率域内桩头动力刚度的半解析解,得到动力刚度随频率的变化曲线.在此基础上研究物性和几何参数对刚度的影响,并与Euler-Bernoulli模型桩的结果进行比较.研究结果表明,端承桩水平振动的动态刚度受桩长细比、土软硬程度、水平激振频率等的影响,这些结果可以为工程设计提供参考.     

考虑桩身剪切变形的管桩水平动力阻抗

基于Timoshenko梁模型,考虑管桩桩身剪切变形的情况,建立了单个管桩的水平振动方程.为了考虑管桩与土体的动力相互作用,将桩周土和桩芯土对管桩的作用等效为Winkler弹簧-阻尼器,利用数学物理手段,并考虑管桩与土体的连续性条件,得到了弹性系数和阻尼系数.考虑管桩桩端边界条件和水平动力阻抗的定义,得到了考虑桩身剪切变形的管桩的水平动力阻抗.通过对比分析和数值讨论可知,采用Timoshenko梁模型得到的管桩水平动力阻抗的绝对值比Euler梁模型小;相对实心桩管桩更应考虑桩身的剪切变形.     

非均质土层中单桩水平动力阻抗计算及影响因素分析

运用土动力学和结构动力学原理．基于改进的Winkler地基梁模型,考虑了地基土的成层非均质性和桩土界面的相对分离效应以及桩侧土的弱化效应,采用数理方程方法分别求解桩与土的振动方程,建立了水平荷载作用下单桩动力阻抗函数的计算力学模型．通过数值计算将得到的单桩水平动力阻抗随激振频率的变化关系与现有的计算和试验结果进行了对比．验证了计算方法的合理性,进而通过变动参数计算得到了桩周弱化土域、桩土界面接触状态、桩身长细比和桩土刚度比等对单桩水平动力阻抗函数的影响规律。     

海上风机大直径单桩水平-摇摆耦合振动特性

基于弹性半空间理论,在Abaqus有限元软件中建立海上风机三维大直径薄壁空心桩-土动力相互作用模型,通过荷载控制法研究桩的水平-摇摆耦合振动,分析无量纲频率、单桩长径比、厚径比、桩土弹性模量比值、桩基周围冲刷对单桩动力阻抗的影响,并将所得结果无量纲化,增加其适用性。研究结果表明,无量纲频率对桩基动力特性的影响与其他因素紧密相联;长径比、弹性模量比、厚径比、桩基周围冲刷坑深度对桩基动力特性均存在较大影响;刚度随着长径比的增大而增大,但存在一定的临界桩长,在无量纲频率较低时,阻尼的趋势与刚度类似;当基础周围的冲刷深度达到2倍直径时,基础的刚度将会下降到原来的1/3左右,且阻尼的下降也非常显著。     

基于动力相互作用因子的饱和土中群管桩的纵向振动研究

利用动力Winkler弹簧-阻尼器,模拟桩周饱和土和桩芯饱和土与管桩的动力相互作用.在忽略饱和土径向位移和环向位移的情况下,将桩周饱和土视为由无穷多带一圆孔的薄土层组成,而桩芯饱和土视为由无穷多有界的圆形薄土层组成,运用数学物理手段求得了动力Winkler弹簧-阻尼器模型的刚度系数和阻尼系数.运用初始参数法和传递矩阵法,求得了饱和土中主动管桩和被动管桩的纵向位移,得到了饱和土中管桩-管桩纵向动力相互作用因子.基于管桩-管桩纵向动力相互作用因子和群桩叠加原理,得到了饱和土中群管桩的纵向动力阻抗.数值分析表明:桩间距越大,群管桩纵向动力阻抗随频率变化曲线波动越厉害;管桩内半径和管桩长径比越大,管桩纵向动力阻抗随频率变化曲线幅值越大,而桩土模量比越大则越小;桩间距对群管桩动刚度的影响最大,其次是管桩长径比,最小的是桩土模量比.     

饱和粘弹性土层中空心圆柱桩的轴对称竖向振动

考虑桩的径向变形以及饱和土层对桩的径向力作用, 分别将空心圆柱桩和饱和土层视为单相弹性介质和饱和粘弹性介质. 基于弹性动力理论及不可压饱和多孔介质理论, 研究了饱和粘弹性土层中端承弹性空心圆柱桩竖向振动的动力特性. 利用Helmholtz 分解和变量分离法, 在频率域得到了空心圆柱桩竖向稳态振动的轴对称解析解以及桩头复刚度的解析表达式,给出了空心圆柱桩桩头动刚度因子和等效阻尼随激励频率的响应曲线, 数值考察了饱和土和桩的材料、几何等参数对桩头动刚度因子和等效阻尼的影响. 研究结果表明, 虽然空心圆柱桩精确轴对称解析解的桩头静刚度与经典Euler 杆模型桩的桩头静刚度几乎相等, 但其桩头动刚度因子和等效阻尼存在较大区别, 并且空心圆柱桩的内外径比(即桩壁厚比) 会对桩头动刚度因子和等效阻尼特性产生显著的影响. 因此, 经典Euler 杆模型桩的适用范围具有一定局限性, 应采用轴对称模型进行更加精确的分析.     

饱和土中非完全黏结管桩纵向振动特性研究

基于Biot动力固结方程和Kelvin模型,考虑了土体三维波动效应及土塞与管桩之间的小变形相对滑移,研究了饱和土中非完全黏结管桩的纵向振动特性.首先,引入势函数,结合桩侧土及土塞的初始和边界条件,采用Laplace变换技术、Helmholtz分解法及分离变量法,分别求解出桩侧土和土塞的纵向振动解.结合桩土系统的耦合条件,进一步求解出管桩顶部的复刚度、速度响应频域解析解及速度响应时域半解析解.将本文解分别退化为实心桩解和无相对滑移解,并与已有研究进行对比,验证了本文解的合理性.然后,采用参数分析法初步确定了Kelvin模型参数的合理取值区间.最后,分别分析了管桩桩长和土塞的渗透系数、孔隙率、剪切模量以及黏性阻尼系数对饱和土中非完全黏结管桩纵向振动特性的影响规律.研究结果表明,桩长越短,土塞与管桩之间的黏结程度对饱和土中非完全黏结管桩纵向振动特性的影响越明显;土塞的孔隙率和黏性阻尼系数对饱和土中非完全黏结管桩的纵向振动特性有明显影响,土塞的剪切模量和渗透系数对饱和土中非完全黏结管桩的纵向振动特性的影响较小,可以忽略不计.     

复杂成层土中管桩振动特性分析

为了完善桩基检测理论及提高桩基检测质量,以地下水位面为界限,将管桩侧面土考虑为单相-饱和复杂成层土,进行了单相-饱和复杂成层土中管桩的纵向振动特性研究。首先根据地下水位面分界,分别建立了单相土层和饱和土层与管桩耦合振动的数学模型,然后进行了土体的动力方程求解得出管桩侧面土的剪切复刚度,根据阻抗传递性得到桩顶阻抗,进而得出速度导纳和速度时域的表达式,最后分析了地下水位面变化和地下水位面一定时桩土参数变化对桩顶动力响应的影响,并对比分析了相同参数下桩周土为成层单相土、单相-饱和复杂成层土、成层饱和土时桩顶动力响应的差别,得到了水位影响下复杂土中管桩耦合振动规律。     

耦合质量对饱和黏弹性土中桩纵向振动的影响分析

基于Biot理论,在频率域内研究了考虑质量耦合效应的饱和黏弹性土中桩的纵向耦合振动特性.采用Novak薄层法得到了饱和黏弹性土的位移、应力等的解析表达式.将桩视为Euler-Bernoulli杆,给出了饱和黏弹性土中端承桩纵向振动的动力方程.根据桩土连续性条件,得到了桩顶的复刚度表达式.与Novak解进行了对比,并考察了饱和土和桩各参数对桩顶动态刚度因子和等效阻尼的影响.结果表明:耦合质量项对桩顶复刚度有较大影响;桩土模量比对桩纵向振动特性的影响与桩长径比的取值有关.