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。     

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.     

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.     

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。     

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.     

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。     

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.     

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.     

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.     

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。     

基于FDV模型的土体中部分埋入端承摩擦桩的水平动力阻抗

利用Winkler弹簧-阻尼器来描述桩土之间的动力相互作用,得到了分数导数黏弹性(FDV)模型描述的土体的刚度系数和阻尼系数.利用传递矩阵法并考虑埋入部分和外露部分桩基的连续性条件,求解了基于FDV模型的土体中部分埋入端承摩擦桩的水平振动,得到了桩顶的水平动力阻抗.研究了分数导数的阶数、外露部分桩长和土体本构模型参数对桩水平振动的影响.研究表明:分数导数的阶数和本构模型参数对部分埋入桩的水平动刚度有一定的影响,而对其等效阻尼的影响很小;外露部分桩长对水平动力阻抗的影响较大.     

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.     

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。     

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.     

层状土中单个管桩的竖向振动特性

将桩周土和桩芯土模拟为连续分布的弹簧和阻尼器,通过求解土层的竖向振动得到了Winkler地基模型的刚度系数和阻尼系数.在考虑土体分层特性的基础上运用传递矩阵法建立了管桩桩顶与桩底位移和轴力的关系,通过考虑桩端边界条件得到了层状土中单个管桩桩顶的竖向复刚度.借助数值算例研究了管桩壁厚、桩土模量比、桩芯土与桩芯土剪切模量比、土层厚度和剪切模量等参数对层状土中管桩竖向振动的影响.