振动沉桩过程“跳机”现象动力学特性

为了找出振动桩锤在沉桩作业过程中产生“跳机”现象的根本原因,从而采取有效措施解决“跳机”这一工程实际问题,从非线性振动力学的角度出发,建立二自由度分段非线性振动桩-土动力学模型,基于数值积分方法,采用四阶龙格-库塔法运算程序进行数值仿真,研究激振频率、地基土的刚度、激振器上下层偏心块的相位差对振动沉桩动力学特性的影响.结果表明:引起桩端与土有脱离的因素主要是激振力和地基土的刚度,激振力和地基土的刚度越大,则桩端与土脱离的程度越严重;当桩端与土没有脱离时,桩和机架的振动频率与激振频率相等,而在桩端与土有脱离时,机架的振动频率将小于激振频率,桩的振动频率也略有降低,当机架频率降低至一定范围时就会出现“跳机”现象.消除“跳机”现象的措施主要是减小激振力,可以通过适当降低激振频率、减小偏心力矩、增大激振器上下层偏心块相位差的方法实现.     

基于振动沉桩机的振动摩擦系统动力学分析

以振动沉桩机为例,研究了振动摩擦在沉拔桩机这一典型机械中的应用.建立了非线性动力学模型,采用龙格库塔法对振动沉桩机进行了数值仿真,得到了系统的动力学特性.仿真结果表明:随着激振力幅值和频率的增大,桩的振幅有一定的增大;随着激振力幅值的减小,桩的振幅有一定减小;随着激振力频率的减小,桩的振幅变化不大;改变系统刚度,桩的振幅有明显变化.     

高频振动沉桩施工对周边环境的影响

从振动桩锤、桩体和土层情况3个方面入手, 系统分析了高频振动沉桩施工对周边环境影响的作用机理. 首先建立振动沉桩三维有限元模型, 实现对沉桩全过程的再现分析; 然后验证模型的正确性, 并对模型进行变参数分析. 研究表明: 桩锤激振频率越高, 沉桩对环境影响越小; 桩锤静载力和桩径越大, 沉桩对环境影响越大; 砂质土场地比黏土场地更易受振动沉桩影响, 且土质越硬, 沉桩产生的环境影响越严重. 最后, 根据参数分析结果提出了减小沉桩施工影响的工程措施.     

高频振动沉桩对人的环境影响

为研究高频振动沉桩对人的影响,依托云南省昆明滇池国际会展中心4号地块项目钢管桩高频振动沉桩工程实例,通过勘察,室内土工试验,基于Midas GTS NX建立三维有限元模型.从激振频率、偏心距和土层情况3个方面入手,对高频振动沉桩对人的环境影响进行研究.研究结果表明:针对普通振动锤,振动沉桩对人的环境影响随着激振频率的增大而增大;针对无级调频调矩振动锤,振动沉桩对人的环境影响随着激振频率的增大而减小;在满足工程要求的情况下减小振动锤的偏心距,有利于减小振动沉桩对人的影响;钢管桩振动沉桩在泥炭质土中施工对人的环境影响最大.最后,提出一种能有效降低振动沉桩对周边人的环境影响方案.     

旋转激励环境下摩擦力测试实验装置设计与实验

为了研究平面接触条件下摩擦力在旋转激励环境下的变化,设计了旋转激励环境下摩擦力测试实验装置,并进行了旋转激励载荷对钢-钢平面接触摩擦力的影响实验.该实验装置能够对激振力和激振频率进行精确调节,实现分别研究激振力和激振频率对平面接触摩擦力的影响.对钢-钢平面接触摩擦力的实验表明,相同激振频率下,随着激振力的增大,钢-钢平面接触摩擦力不断减小,且二者成近似线性变化趋势,当激振力达到39.9 N时,钢-钢平面接触摩擦力平均减小88.2%.相同激振力幅值下,随着激振频率的增大,摩擦力整体亦呈现减小的趋势,激振力越大,摩擦力减小越快,激振力幅值对钢-钢平面接触摩擦力影响较大,激振频率次之.     

砂土层中钢管桩高频振动贯入效率模型试验

针对钢管桩高频振动沉桩效率的影响因素研究不够系统的问题,通过砂土层中钢管桩高频振动沉桩室内模型试验,研究了不同激振力和激振频率工况下,钢管桩在不同密实度及饱和度砂土中的沉桩位移,分析了砂土层中钢管桩高频振动沉桩效率的影响因素。研究结果表明:干砂中,相对密实度为30%的沉桩位移大于相对密实度为50%的沉桩位移;当激振频率为40 Hz时,干砂中沉桩位移均达到最小值。湿砂中,饱和度为70%时的沉桩位移大于饱和度为50%时的沉桩位移;当激振频率为50 Hz时,湿砂中沉桩位移均达到最小值。增大电压峰值,钢管桩在干砂和湿砂中的贯入效率有部分提高。     

基于灰色关联度理论的钢管支护桩沉桩位移

依托深基坑钢管支护桩振动沉桩工程实例,基于三维动力有限元方法,采用数值模拟、正交分析及灰色关联度理论,对影响湖相沉积土层中深基坑钢管支护桩高频振动沉桩位移量的因素进行了敏感性分析,并对钢管支护桩高频振动沉桩的工艺参数进行了优化。研究表明:湖相沉积土层中深基坑钢管支护桩高频振动沉桩过程与土层参数、振动激振力、振动频率和钢管桩桩径等因素关系密切;与钢管支护桩高频振动沉桩位移量关联度的大小依次为振动激振力、振动频率、钢管桩桩径和土体动弹性模量,关联度分别为0.79、0.76、0.74和0.60;湖相沉积土层中深基坑钢管支护桩高频振动沉桩的最佳工艺参数为桩径0.83m、振动激振力1 875kN、振动频率20Hz。     

高频液压振动沉桩的颗粒离散元分析

采用颗粒离散元方法,分析在高频振动沉桩过程中对桩贯入深度的影响因素,研究在桩贯入不同深度时桩周砂土速度场、接触应力场的变化及整桩贯入后不同砂土深度的孔隙率值.数值模拟结果表明,提高桩的静定荷载和激振频率能提高桩的贯入深度.桩周砂土速度场和应力场变化揭示了桩侧摩阻力作用机理和表层土体的隆起现象.随着桩的贯入,桩周砂土的接...     

振冲沉桩对受损桥梁的影响范围计算与分析

跨江河大桥的大量兴建对既有航道的影响日益凸显,船撞桥梁的事故频繁发生.受损桥梁修复与加固所需要的支护平台施工对受损桥梁产生的扰动影响程度如何?有无安全性问题?这些均为处理受损桥梁亟待解决的问题.结合磨刀门特大桥船撞事故修护工程中临时支护平台桩基沉桩施工的实际案例,分析了振冲沉桩施工扰动对地基土及邻近受损桥梁的影响.根据爆破安全规程(GB6722—2014)和中国地震烈度表(GB/T 17742—2008),以最大速度容许值作为判据得到了桩基振动施工的影响范围;基于小孔扩张理论分析了施工振动的挤土效应,并综合考虑给出了临时支护平台振冲沉桩施工的最小安全距离容许值为11m;运用数值模拟非线性时程分析,针对实际工程确定了合理的激振力参数,建议激振力振幅A不大于300kN、激振力频率f不小于10Hz,为解决此类工程问题提供一种新思路和方法.     

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.     

高频振动沉桩的离散元模拟分析

应用平面颗粒离散元软件PFC2D对高频振动沉桩过程进行数值模拟分析,在细观颗粒运动层面上研究高频振动沉桩的机理,得到了桩侧摩阻力的分布变化规律,分析了贯入深度和贯入速率随时间变化规律,提出了"贯入平台期"的概念,并从能量传递和能量平衡角度分析了出现的原因,研究总结了桩周土颗粒的运动规律。结果表明:贯入度一定时,侧摩阻力随深度增加,到一定深度趋于定值;贯入度变化时,同一深度处侧摩阻力随最终贯入度增加而退化。高频振动沉桩贯入速度快,最大贯入速率能达到0.38 m/s,其中贯入平台期的出现是由于振动锤系统传递到桩的能量不足以克服贯入阻力并引起土颗粒共振。高频振动沉桩引起桩周土颗粒运动按区域分布各有特点。     

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。     

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.     

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。     

基于能量法的填土地基单桩负摩阻力计算方法

深厚填土地基因土体固结沉降导致桩基产生负摩阻力,负摩阻力会造成桩身的沉降量过大和承载力降低。针对能较准确计算深厚填土场地基桩负摩阻力方法研究成果不足的问题,通过不同法向应力下的土–混凝土界面剪切试验讨论了桩侧摩阻力的发挥机理,并考虑桩侧摩阻力随深度的分布规律,提出结合双曲线模型和有效应力法的桩侧摩阻力分段计算模型。然后,基于桩–土体系的能量传递,建立负摩阻力条件下基桩的能量平衡方程,进而导出同时考虑桩–土相对位移和桩–土体系势能变化的桩身轴力和位移计算表达式。以某桩基现场试验项目进行计算,将理论计算结果与试验实测结果对比分析,结果表明：理论计算所得桩身轴力沿深度变化曲线与试验结果基本吻合,本方法能够较准确的分析深厚填土地基中基桩的力学特性。     

海上风电机组单桩基础模态及参数敏感性分析

采用里兹向量直接叠加法,在考虑桩-土相互作用的条件下对海上风机单桩基础进行模态分析,得到了单桩基础9阶模态特性,基于精确的基础设计,有效地避开了风机叶片工作时的振动频率以及海浪的波动频率.发现前2阶水平向弯曲振型频率为判断单桩基础共振的主要频率.通过探讨套筒、土体、桩基础等方面的一系列参数对单桩风电机组基础模态的影响规律发现单桩基础自振频率随着套筒壁厚、土层水平向参数、桩体壁厚、桩径的增大而增大,随桩悬臂长度的增大而减小,其中受桩径影响最为显著.单桩基础自振频率随桩体埋深呈现非线性变化,并存在临界深度,超过该深度后频率基本保持不变.桩侧土体的摩阻力大小对水平向弯曲振型没有影响.     

桩土摩擦粘着特性及分析方法

同一土层的桩侧摩阻力在不同条件下取值会有很大区别,因此有必要对桩侧摩阻力的影响因素进行分析。分析了桩土的摩擦粘着机理,指出影响侧摩阻力的因素主要为桩土界面强度及土层强度,其中桩土界面强度包括界面摩擦力和界面粘着力两部分。根据机理分析提出使用有限元法配合试验结果进行分析应包括两方面的(1)根据试验实测结果通过试算确定侧摩阻力极值由桩土界面强度决定还是由土层强度决定;(2)若侧摩阻力由界面强度决定则根据土层特性进行摩擦系数假定,进而确定界面摩擦力及粘着力。介绍了ADINA建模及计算过程。通过应用一组混凝土短桩的静载试验结果进行计算分析来说明分析过程。     

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。     

竖向荷载作用下大直径钢管桩承载力特性分析

近年来,新型大直径钢管桩基的承载力特性备受关注,为此,以湛江某新建油码头工程大直径钢管桩测试桩Z2桩为研究对象,采用有限元三维数值静载试验方法,对竖向荷载作用下大直径钢管桩的桩径、桩长、桩侧土摩擦系数及桩端土压缩模量对其承载力特性的影响规律进行研究。结果表明:钢管桩桩径增大,则其极限承载力和桩侧摩阻力随之提高,桩端沉降与桩顶沉降之比逐渐减小,同时桩端阻力随着桩径的增加而减小;钢管桩桩长增加,钢管桩的极限承载力和桩侧摩阻力都显著提高,桩端阻力与桩顶荷载之比逐渐减小;桩侧土摩擦系数增大,则桩的极限承载力增大而桩端沉降量显著减小,尤其在摩擦系数从0.3增加到0.4时,沉降量减小幅度较大;桩端土压缩模量增加,则钢管桩竖向极限承载力和桩端阻力增大,而桩端沉降量减小。研究结果可对类似工程大直径钢管桩的设计和施工提供参考。     

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。