横观各向同性土中大直径桩的纵向振动分析

桩-土动力特性研究一直是桩基工程领域的重要问题,针对受纵向振动荷载下的横观各向同性土中大直径桩动力特性进行研究。基于横观各向同性材料本构方程,忽略土体径向位移建立轴对称条件下土体的动力平衡方程,结合边界条件求解方程,得到土体的位移和剪切力表达式。根据Rayleigh-Love杆模型建立大直径桩的纵向振动平衡方程,结合边界条件求解得到大直径桩在横观各向同性土中纵向振动的解析解,随后分析了桩土参数对土体、桩顶动力响应的影响。将理论解进行退化分析以及将理论解与数值模拟解进行对比进而验证了该理论解的正确性。     

考虑竖向荷载的Timoshenko模型桩水平振动响应解析解

考虑饱和土应力和位移沿深度的变化,将桩基等效为Timoshenko模型,对饱和土中竖向荷载作用下的端承桩水平振动响应进行了理论研究。基于Biot动力固结理论,通过引入势函数解耦土体方程。利用Laplace变换和分离变量法求得桩周土体频域响应解析解。考虑桩基的剪切变形和转动惯性效应,结合桩土接触连续性条件,得到桩体位移和桩顶动力复阻抗频域解析解。通过数值算例,比较了竖向荷载作用下Euler-Bernoulli模型与Timoshenko模型桩顶振动特性;并研究了长径比和竖向荷载对桩顶动力复阻抗的影响。结果表明:采用Euler-Bernoulli模型计算桩顶动力复阻抗偏于危险;长径比增大到临界值后,长径比对桩顶动力复阻抗影响较小;竖向荷载导致桩顶动力复阻抗突然降低,对桩基承载能力有不可忽视的影响。     

基于饱和虚土桩模型的浮承桩纵向振动特性分析

为了分析饱和土中浮承桩纵向振动特性,基于Biot理论提出了一种桩底饱和虚土桩模型.采用Novak薄层法计算得出饱和土体位移解,利用饱和土-桩-饱和虚土桩完全耦合条件,推导出桩顶纵向振动动力阻抗解析解,并对饱和土中浮承桩纵向振动特性进行参数化分析.计算结果表明,当桩底饱和土层厚度为4和6 m时,桩顶动力阻抗函数曲线呈现出大、小峰值交替现象,这与单相虚土桩模型的计算结果差异较大,且桩周和桩底饱和土体孔隙率对桩顶动力阻抗曲线的影响不可忽视.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引起较大误差,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.     

基于三维虚土桩模型的大直径桩纵向振动研究

为分析大直径浮承桩纵向振动特性,基于黏弹性连续介质理论同时考虑桩身和桩底土的三维波动效应,提出了一种三维虚土桩模型.首先,采用拉普拉斯变换和分离变量法求解得到桩身和桩底虚土桩的位移基本解;然后,结合桩-土及桩-虚土桩完全耦合条件,推导得出大直径桩桩顶动力阻抗解析解,并通过与已有解答对比分析验证了推导所得解析解的合理性和...     

不均匀饱和土中变波阻抗桩的纵向振动特性

为揭示饱和土中桩的纵向振动特性,文章建立了不均匀饱和土中变波阻抗桩的纵向振动模型。利用Laplace变换,得到了土层平面应变模型下对桩身的动力阻抗,并求得了桩身任意段的动力响应;利用传递矩阵,给出了桩顶复刚度的解析表达式;阐明了单相土模型的不足,并分析了桩身缺陷及饱和土渗透性对桩动力特性的影响。结果表明:采用单相土模型会低估桩顶低频段的动刚度,对动阻尼影响较小,一定程度上说明了土体模型对分析桩动力特性的重要性;桩身存在缺陷会使桩顶的动刚度明显减小,动阻尼增大;饱和土渗透性变差会有效增大缺陷桩的动刚度,减小桩的共振频率,并减缓动阻尼随频率变化的增长速率。     

大直径等截面桩与扩底桩的承载特性研究

基于荷载传递法和广义双曲线函数, 建立了大直径扩底桩的单桩解析模型.利用ABAQUS软件建立等截面桩与扩底桩的有限元分析模型,土体用Mohr-Coulomb本构模型,桩体采用弹性模型,在桩土接触面间设立接触对.分析了桩底沉渣、扩底高度和扩底直径对大直径等截面桩与扩底桩承载特性的影响,得出桩身轴力、桩侧阻力和桩顶沉降等变化规律.结果表明,扩底桩可明显提高承载力并减小桩顶沉降;工程应用中应尽量减少桩底沉渣厚度.     

基于Boer多孔介质模型的饱和黏弹性地基中端承桩竖向动力阻抗研究

针对饱和黏弹性地基中桩基竖向振动问题,基于Boer多孔介质动力控制方程组,在不引入积分变换及势函数的情况下,采用微分算子分解理论并结合桩土接触面的混合边值条件,推导求解相关方程得到了饱和黏弹性地基中端承单桩的桩顶竖向动力阻抗解析表达式.通过和已有相关研究的对比验证了所得解的合理性,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对所得桩顶竖向动力阻抗的影响规律.计算分析表明,Boer多孔介质模型和Biot理论的差异不影响饱和土桩体系的共振频率,并且分别基于这两种理论所得到的桩顶竖向动力阻抗在低频阶段是一致的,但在高频阶段,采用Biot理论来描述饱和土的动力学行为将会高估桩土体系的共振幅度.此外,所探讨参数对桩顶动力阻抗均有显著影响.     

考虑施工效应时饱和土中管桩的纵向振动研究

为了研究饱和土中考虑施工效应时管桩的纵向振动特性,基于饱和多孔介质理论,首先建立了纵向动荷载下受施工影响时饱和土中饱和土—管桩的纵向耦合振动力学模型,然后利用Laplace变换得出饱和土频域内振动方程,并对饱和土动力方程进行数学解析求解,同时结合边界条件和初始条件进行饱和土—管桩耦合振动方程解耦计算,获得管桩的频域内纵向振动频域解析解,利用傅里叶逆变换得出管桩时域内半解析解,最后分析管桩施工造成的挤密、松弛效应以及土中孔隙水等因素对薄壁管桩动态特性的影响,获得了饱和土中能够合理考虑施工效应影响的管桩振动结论:施工效应会导致剪切波速比例系数变化,当剪切波速比例系数越小,则在同一共振频率处动阻尼和动刚度曲线的振幅越大;饱和土中水的体积分数变大会使得桩顶速度导纳和反射波曲线振幅变大。     

土塞对管桩纵向振动的影响研究及试验分析

为了探究径向非均质土中考虑土塞效应的管桩纵向振动规律。首先根据Novak薄层法和饱和多孔介质理论建立起径向非均质饱和土的振动方程,利用复刚度传递模型,得到管桩内外侧面土体复刚度。然后采用扩散虚土桩模型考虑桩对桩端土的应力扩散效应。根据虚土桩和管桩边界条件、初始条件和连续条件进行管桩—土振动模型求解,得到半正弦脉冲激振力下桩顶动力响应的理论解。分别探讨了土塞水的体积分数、剪切波速及高度对管桩动力响应的影响。最后采用室内管桩模型试验验证理论计算模型。结果表明:土塞剪切波速及土塞高度对管桩桩顶动力响应的影响不可忽略。由于土塞的存在,桩顶时域曲线在桩底同向反射之前有一个反向反射,反向反射的位置和土塞高度有关。进一步完善了饱和土中开口管桩的振动理论。     

管桩低应变检测中的三维效应分析

建立了三维柱坐标下桩土系统瞬态振动的计算模型,根据弹性动力学方程、边界条件和初始条件,确立了定解问题.利用交错网格有限差分法编制了相应计算程序,得出该定解问题的数值解,探讨了完整桩在竖向激振力作用下的瞬态动力响应,给出了桩顶不同位置的速度时程灰度图,并比较了桩顶与桩底各点竖向速度时程曲线的差别.基于管桩的低应变完整性测试数据,验证了该数值算法的可靠性及其反映波在管桩中传播的三维效应的可行性.在实际检测过程中,特别是在三维波动方程无法求得解析解的条件下,该数值计算结果具有一定的指导意义.     

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.     

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.     

基桩低应变检测的波动方程法数值计算

文章建立了以桩的连续杆件模型和土的线弹性模型为基础的低应变数值计算模型,并利用行波理论求解波动方程;编制了计算程序,通过拟合计算,分析桩的完整性,并对应力波在桩中的传播规律进行了研究。工程桩计算对比表明,理论计算曲线与实测曲线有较好的一致性,拟合所得缺陷位置及类型与实际情况基本吻合。文章对基桩低应变动力检测具有理论和实用意义。     

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。     

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.     

基桩动力稳定性模型试验研究

为探讨动力荷载作用下基桩的动力稳定性,在大型地槽中以均匀细砂模拟桩周土,分别构造不同桩径、桩身埋置率及边界条件的基桩.通过协调加载系统在桩顶施加不同幅值与频率的简谐振动荷载,利用埋设的传感器采集桩身及桩周土的应力应变等动力响应,经对比分析获得桩径、埋置率、荷载频率与大小等参数对桩顶位移的动力影响规律,并验证了基桩的参数共振现象.研究发现:频率观测值小于理论计算值,可用取值为0.5～0.8的系数k予以调整,且动荷载幅值越大、桩周土越深,k的取值就越偏小.     

非完整桩扭转振动问题的数值计算

文章提出了非完整桩在瞬态激振力矩作用下扭转振动的数值计算模型,并用有限差分法计算了非完整桩的扭转振动,得到了各种典型缺陷桩对应的理论曲线。定量计算结果表明,桩周土的性质是影响扭转波衰减的一个重要因素;桩周土越软,扭转波衰减越慢,缺陷反射和桩底反射越明显,此时利用扭转波进行基桩完整性检测更有效。     

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.     

开口与闭口管桩连续贯入机理的可视化模型试验研究

静压管桩连续贯入的动力响应不仅会引起土体的局部大变形,还会改变桩周土体的有效应力状态,从而影响自身的贯入阻力以及桩基承载力时效。现有研究更多关注的是沉桩后的承载变化,对于沉桩过程贯入机理的认识仍相对不足。为此,克服传统全模型试验不可视的局限,通过透明土可视化物理模型试验开展了开口与闭口管桩静压沉桩连续贯入全过程的对比试验,获得了开口与闭口管桩相同沉桩条件下的桩周土体的位移场。系统研究了两种形式下全时空域的桩周土体扰动变化规律及承载特性的发挥,并讨论了开口与闭口管桩贯入机理的差异性。试验结果表明：由于土塞效应渐进调动的原因导致开口与闭口管桩的挤土效应发挥机理存在较大差异,闭口管桩连续贯入引起的位移矢量场的模式主要以桩端放射状挤压土体运动为主,而开口管桩的位移矢量场则表现为管桩内部竖向位移最大、桩身两侧的扰动变形较小;贯入初期,开口管桩所调动的贯入阻力远小于闭口管桩,随着土塞程度的增大,土塞效应引起的开口管桩的土塞端阻对于总贯入阻力的贡献占比逐渐增大。