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.     

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.     

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.     

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。     

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。     

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.     

Timoshenko梁模型下完整桩瞬态横向振动半解析解

文章采用Timoshenko梁模型下桩-土系统横向振动的动力学模型和数学模型,通过Laplace变换,得到桩顶横向振动速度在频域内的解析解,进行快速Fourier逆变换,得到桩顶速度时域内的表达式;根据试验桩参数绘制出速度导纳曲线及桩顶速度曲线,分析Bernoulli-Euler梁模型和Timoshenko梁模型的速度导纳曲线的特点,对比2种模型桩的理论速度曲线与试验桩实测速度曲线的差异;分析不同参数对桩顶横向动力响应的影响。结果表明,Timoshenko梁模型的结果比Bernoulli-Euler梁模型更接近于工程实际中低应变横向测桩的结果,所得半解析解结果能在频域内进行分析,具有很好的适应性和准确性。     

均匀土中非完整桩瞬态纵向动力响应研究

为研究桩土参数对非完整桩低应变时域速度曲线和速度振幅谱曲线的影响,根据桩土系统波动理论,建立了桩-土系统瞬态振动的计算模型;得到了基桩在纵向激振力作用下的瞬态动力响应,将计算结果与基桩低应变完整性检测实测数据进行对比分析,验证了该数值模拟的可靠性和可行性;研究了桩长、桩周土、桩底土等因素对时域速度曲线和速度振幅谱曲线的影响。结果表明:桩土参数对时域速度曲线和速度振幅谱曲线都有影响,桩侧土剪切波速增大,桩底反射越弱。     

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.     

单桩复合地基上块体振动速度导纳的灵敏度特性

简要分析了当前复合地基动测技术的不足,提出了用单桩复合地基上块体的竖向振动速度导纳曲线检测桩-土体系工程性状的机械导纳法．文中应用轴对称有限元-无限元耦合解,较系统地分析了块体速度导纳及其关于桩身弹性模量的灵敏度特性,包括地基土剪切波速、桩长和桩身缺陷的影响规律,对进一步完善复合地基动测技术以及用复合地基作动力机器基础时的优化设计具有重要的指导意义．     

考虑横向惯性下填砂竹节管桩纵向振动特性

为研究填砂竹节管桩这一新型复合桩基的纵向振动特性,基于复刚度传递理论,采用多圈层平面应变模型模拟桩周介质的双向非均匀性,在考虑横向惯性效应和桩身阻尼的情况下,结合拉式变换及其逆变换求得桩顶阻抗解析解及桩顶速度时域响应半解析解,并利用已有解验证了本文所得解的合理性.经参数影响分析发现,桩周填砂层性质对复合桩基的动刚度和动阻尼影响较大.所建模型和所得结论为闭口填砂竹节管桩的设计施工及低应变检测提供了理论依据.     

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.     

成层地基中单桩沉降的时间效应研究

为研究成层地基中静荷载作用下单桩沉降的时间效应,采用Voigt模型来考虑桩侧土对桩的作用,根据桩侧土的成层性,将桩土系统从下至上划分为若干层,对每层桩土系统建立控制方程。运用阻抗函数递推方法求得了频域内桩顶位移响应的解析解,进而利用Fourier逆变换和卷积定理求得了静荷载作用下考虑时间效应的单桩桩顶沉降半解析解。运用该解析解讨论了两层和三层桩侧土工况时桩土参数对单桩沉降性状的影响,并将计算结果与工程桩的实测数据进行了对比,验证了本文解的合理性。     

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...     

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.