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。     

饱和土中变截面大直径桩纵向振动理论解和数值解对比分析

基于饱和多孔介质理论,对饱和土中变截面大直径桩的纵向振动特性进行研究。首先根据饱和土动力控制方程,得出大直径桩侧土体复刚度,桩底采用黏弹性支承,再将桩身按变截面分段,采用能考虑横向惯性效应的Rayleigh-Love杆模型建立大直径桩的动力方程。结合初始条件、边界条件和连续条件,利用阻抗递推法求解变截面大直径桩-土动力方程耦合方程得出桩顶频域解析解,通过卷积定理和逆傅里叶变换得出桩顶速度时域半解析解。然后利用ANSYS/LS-DYNA建立有限元模型,将数值解和理论解在桩身存在软硬夹层、变截面以及变截面段桩的长度和位置变化等情况进行了对比分析,利用数值计算解验证了理论计算模型的正确性。     

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。     

半空间地基中虚土桩模型的精度分析及应用

对虚土桩模型求解半空间地基上刚性圆板垂直振动特性的精度及应用进行研究.首先将刚性圆板正下方直到基岩的圆柱形土体看作虚土桩,通过求解桩土耦合振动,得到了简谐荷载作用时刚性圆板下均质滞回材料阻尼土体振动位移解,进一步利用该解,根据桩土接触面的边界条件来考虑桩土耦合作用,求解虚土桩的动力平衡方程,进而得到了桩土体系的定解.然后将虚土桩模型得到的刚性圆板的动力特性与现有精确解进行对比分析,结果表明本文解与现有精确解较吻合,具有足够高的精度.最后讨论了主要参数对虚土桩顶复刚度的影响.     

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.     

桩底土对既有承台单桩纵向振动特性的影响研究

基于虚土桩和广义Voigt模型,建立桩及承台纵向振动的动力平衡方程,求得承台纵向振动时位移、速度的频域、时域解,研究了桩底土对既有承台单桩纵向振动特性的影响.结果表明:在相同初始位移条件下,单层桩底土厚度越大,承台位移、速度幅值及振动频率越小,而共振频率基本一致;存在软弱下卧层时,下卧层厚度越大、土质越差,承台位移、速度幅值越小.最后,通过与桩底土单Voigt模型及实际工程曲线对比发现,采用虚土桩模型能准确模拟软弱下卧层的作用,使得计算结果更为接近工程实测数据.     

饱和土径向运动简化的桩纵向振动特性研究

在三维轴对称饱和土层中弹性支承桩纵向振动研究的基础上,通过简化饱和介质中固相与液相径向运动,建立了饱和土中桩纵向振动的简化模型,通过分离变量法求得了简化模型的桩纵向振动的频域解析解,利用付立叶逆变换和卷积定律获得了时域半解析解.简化解与三维轴对称饱和两相解的桩顶动力响应的对比结果表明,在低频范围内简化解的动刚度因子及等效阻尼与三维轴对称解有较大差别,而较高频率范围内两种解的导纳和速度时域响应基本吻合,因此简化理论对基桩频域或时域检测是足够精确的.计算结果表明,桩的长径比、桩土模量比以及桩底支承系数对桩顶频域和时域响应影响显著,而渗透系数对桩顶动力响应的影响较小.     

均质土体中部分埋入桩纵向振动响应研究

基于土体的运动方程,研究了均质各向同性土体中部分埋入桩的纵向振动问题.利用拉普拉斯变换,求得了土体纵向振动位移形式解.根据桩土系统衔接条件和边界条件,得到了桩段1顶部阻抗函数的拉普拉斯变换域解.根据阻抗函数递推原理,傅里叶逆变换和卷积定理,求得了桩顶速度导纳的解析解和半正弦脉冲作用下桩顶速度时域响应的半解析解.最后,通过参数分析研究了桩土系统主要参数对桩顶动力响应的影响.结果表明,上部桩段长度对桩顶速度导纳和速度时域响应有着明显的影响.     

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。     

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,并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。     

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.     

水平激振下饱和土中楔形桩动力阻抗分析

基于Biot饱和多孔介质理论，将桩体简化为Euler梁，建立水平稳态激振下楔形桩-土耦合振动模型.首先通过引入势函数，求解平面应变条件下桩周土振动控制方程，并利用分离变量法和算子分解法求得各桩段土反力.再结合桩土耦合及位移连续条件，求解得到楔形桩桩顶阻抗解析解.通过算例分析，研究了楔角、长径比以及土体渗透性等因素对楔形桩桩顶阻抗的影响.结果表明：1）在低频范围内，楔形桩阻抗会随楔角增大而减小；2）桩底尺寸一致时，桩顶水平阻抗、摇摆阻抗随长径比的增大而增大；3）对于桩长相同、楔角不同的等体积楔形桩，在低频阶段水平动刚度随楔角增大而减小，而高频阶段则相反；4）土中液相的存在对桩顶动力阻抗有显著影响，忽略土中液相作用会低估桩顶动力阻抗；5）表层软土会降低楔形桩桩底动阻抗.     

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。     

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.     

基于多孔介质理论的非均质饱和土中单桩的纵向振动

为了考虑桩周土体沿径向的非均质特性,将桩周饱和土划分为内域饱和土和外域饱和土两部分,运用多孔介质理论和桩基动力学理论建立径向非均质饱和土-桩动力相互作用模型.在此基础上,利用Novak平面假定和数学物理方法并考虑桩-土系统的连续性条件和边界条件,求解了非均质饱和土中单桩的纵向振动,并得到了桩顶的复刚度.通过数值算例考察了内、外域饱和土力学性质的差异对单桩纵向振动的影响.研究表明,桩周饱和土弱化范围内、外域剪切模量比和密度比对桩纵向振动影响较大,而内、外域液固耦合系数的差异几乎没有影响.     

完整桩瞬态纵向振动的参数影响分析

基于完整桩瞬态纵向振动模型的数值分析,表明土参数、桩参数和激振力参数都对桩的动力响应发生影响.对未入土的桩,桩顶振速曲线上反射与入射幅值比为2;对土中的桩,若桩周土剪切模量、桩长、激振力作用时间增加,或桩径和桩弹性模量减小,都使得这个比值减小;当桩底土剪切模量与桩弹性模量之比小于0.01时,桩底反射与入射同相位,当这个比大于0.1时,桩底反射与入射反相位.     

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.     

端承桩与土纵向耦合振动时桩顶响应解析研究

通过建立和求解定解问题,对粘弹性土层中端承桩与土的耦合振动问题进行了解析理论研究.求解中利用拉普拉斯变换,对在严格考虑桩土纵向耦合振动条件下的、在任意激振力作用下的端承桩桩顶频域及时域响应进行了解析求解.推导求得了桩顶位移、速度频域响应、桩顶复阻抗的解析表达和桩顶时域响应半解析表达,并通过土层参数影响分析,探讨了桩顶复阻抗的变化特性,并得到相应结论.