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.     

土塞效应对饱和土中外露管桩纵向振动影响

考虑管桩周围饱和土层和桩芯饱和土层的竖向位移,分析了单位厚度管桩周围饱和土和桩芯饱和土对管桩的作用力,建立了在饱和土中考虑土塞效应时部分外露管桩纵向振动的控制方程,并运用传递矩阵法求得了管桩纵向振动的桩顶复刚度.计算结果表明:管桩壁厚较小时,减小壁厚对复刚度的影响不大,但管桩不宜过薄;土塞深度、管桩周围饱和土与桩芯饱和土剪切模量比对管桩纵向振动有较大影响,且影响规律与频率有关.     

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.     

基于多孔介质理论的径向非均质饱和土中管桩的扭转振动

运用多孔介质理论和多圈层法研究了径向非均质饱和土中单个管桩的扭转振动.考虑管桩桩周饱和土的非均质特性,将管桩桩周饱和土划分为扰动区域和未扰动区域,建立了径向非均质饱和土中单个管桩的扭转振动模型.基于Novak薄层法和多圈层法,利用数学物理方法求解了桩芯饱和土和桩周饱和土扰动区域、未扰动区域的扭转振动,并考虑土体边界条件和各圈层间的连续性条件建立了径向各圈层扭转剪切刚度的递推公式.考虑桩周饱和土和桩芯饱和土对管桩的动力作用,建立了管桩的扭转振动方程,得到了管桩桩顶的扭转复刚度.运用数值算例进行了对比分析和讨论.结果表明:研究饱和土中管桩扭转振动时需要考虑桩周饱和土的径向非均质性,高频时不应忽略液相的影响,在进行桩基设计时应重点关注管桩的几何尺寸.     

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.     

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.     

基于多圈层模型的径向非线性饱和土-管桩纵向耦合振动

对径向非线性饱和土-管桩的纵向耦合振动进行了研究。考虑液相的影响将桩周土和桩芯土视为饱和土,同时考虑桩周饱和土沿径向的非线性特性,借助Novak平面假定和多圈层模型将桩周饱和土划分为外部未扰动区域和内部扰动区域,将内部扰动区域又划分为多个同心圆环,建立了基于多圈层模型的径向非线性饱和土-管桩纵向振动的数学模型。利用数学物理手段,并考虑各圈层之间的连续性边界条件得到了径向各圈层纵向剪切刚度的递推公式;在此基础上考虑桩周饱和土和桩芯饱和土对管桩的作用和管桩桩端的边界条件,得到了管桩纵向振动的桩顶复刚度和桩顶导纳。数值算例表明:桩周饱和土沿径向的非线性或非均质特性对饱和土中管桩的纵向振动有影响;液相对管桩纵向振动的影响不应被忽略;管桩外内半径比对管桩纵向振动的影响较大,在设计中需要引起注意。     

考虑沉桩挤土效应的楔形管桩纵向振动特性

基于剪切复刚度传递方法研究考虑沉桩挤土效应的楔形管桩纵向振动特性。首先,根据楔形管桩特殊的桩身结构并考虑桩周土的成层性,将桩-土体系沿竖向划分为若干段,进一步地,将桩周土沿径向划分为若干环形圈层以考虑沉桩过程中的挤土效应导致的土体径向非均质性;逐圈层求解土体动力平衡方程并通过相邻圈层间剪切复刚度的传递得到桩-土界面的剪切复刚度,求解桩的动力平衡方程,并结合Laplace变换和阻抗函数递推的方法,得到楔形管桩桩顶复阻抗频域响应解析解;通过与已有解答的对比证明了本文解的可靠性,在此基础上,分析了楔形管桩桩身参数及沉桩过程中的挤土效应对低频范围内桩顶复阻抗的影响。     

考虑桩-土相互作用的管桩水平动力阻抗研究

在经典平面应变假定和波的传播理论的基础上,通过引入势函数的方法,对土层的水平振动问题进行求解,得到了桩周土和桩芯土对管桩的水平动力作用. 然后,利用初参数法求解了管桩的水平振动,分析了桩周土与桩芯土剪切模量比和管桩外半径对管桩水平动力阻抗的影响.     

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。     

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。     

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.     

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.     

基于尾流振子模型的套管涡激振动响应研究

针对PIP （Pipe In Pipe）系统（套管）的涡激振动问题,开展了对PIP系统在涡激振动作用下的动力学响应研究,分析了在涡激振动作用下不同无因次波数、内外管道直径比、连接层刚度以及张力对海洋立管位移响应的影响规律。研究基于Euler-Bernoulli双梁理论,采用尾流振子模型,建立了动力学模型,利用谐波平衡法求得内、外管道的振动响应表达式。结果表明,在不同无因次波数的作用下,套管的振动存在不稳定现象,在七阶模态时,管道的振动出现单一频率的振动现象;在高频率比区域,随着无因次连接层刚度的增大,内、外部管道的位移均呈现先减小后增大的趋势,并且逐渐趋于稳定;张力对外部管道位移的影响相对复杂,内部管道的位移随张力的增大呈现减小的趋势。