非连续群桩屏障对平面P、SV波的隔离效应:二维宽频带间接边界积分方程法模拟

采用一种高精度的间接边界积分方程法(IBIEM),对二维非连续群桩屏障对平面P、SV波的隔振效果进行宽频带计算分析。该方法基于单层位势理论,通过在非连续屏障交界面附近引入虚拟波源,分别用以构造散射体内、外散射场,继而由边界条件建立方程并求解得到虚拟波源密度,外部的总波场可由散射场和自由场叠加而得到。精度检验表明,该方法能够精确高效地求解任意排桩的宽频隔振问题。进而以圆柱实心桩为例,通过定量化频谱分析,揭示了P、SV波入射时排桩对不同频段弹性波的隔振差别,探讨了不同波速比、桩间距、桩排数对隔振效果的影响规律,研究结果表明:(1)隔振效果存在最优无量纲频段,宜优化设计桩径和桩间距以达到最佳效果;(2)场地土愈软,隔振效果愈佳。相比P波,SV波对于桩间距更为敏感;(3)低频波宜采用多排桩,但对高频波,采用三排以上的桩屏障对隔振效果的提升则不再显著。     

饱和土中周期排列管桩对平面SV波隔振的解析求解

基于Biot流体饱和多孔介质理论,采用波函数展开法并结合Graf加法定理,解析求解了饱和土中周期排列管桩对平面SV波的隔振问题。该方法利用饱和土中不同周期单元的散射波场在频域内仅相位不同的特性,将饱和土中无限周期排列管桩对SV波的散射问题转换为仅针对一个周期单元的求解,因而在精确求解的同时显著降低了计算量,并在一定程度上弥补了现有方法在管桩数较多时难以求解的局限。在验证方法正确性的基础上,重点讨论了桩体个数、饱和土参数、管壁厚度、桩排数和排列方式等因素对隔振能力的影响。研究结果表明:周期排列管桩在饱和土中的隔振能力整体上优于弹性土,且在渗透性越差的饱和土中隔振能力越强;管桩的管壁厚度不宜过薄,内外径之比取为0.6左右,周期排列管桩在大多数频率下隔振能力稳定;增加桩排数能够显著提高隔振能力,在无量纲频率为0～0.6的较低频段,隔振能力提高幅度为20%左右,在无量纲频率为0.6～3.0的中高频段,隔振能力提高幅度可达60%,采用三排管桩屏障可屏蔽饱和土中大多数频率下的入射SV波;管桩矩形排列的隔振效果在无量纲频率为0～1.0的较低频段优于梅花形排列,其他频段两种排列方式均具有良好的屏蔽SV波效果。     

饱和土中刚性排桩对平面SV波的隔离分析

在Biot波动理论的基础上,用单排刚性排桩作为屏障,对全空间饱和土中入射平面SV波进行了隔离分析。采用波函数展开法,将散射波的势函数展开成Fourier-Bessel级数的形式,利用一组可以求解多散射问题的圆柱坐标系统和桩土界面处位移连续的条件,以及刚性桩的动力平衡条件,得到问题的理论解。对影响排桩隔离效果的桩间距和饱和土的渗透系数等参数进行了分析,结果表明,桩间距对饱和土中排桩的隔离效果有较明显影响;与弹性土体中排桩的隔离效果相比,饱和土中排桩的隔离效果有所不同,随着饱和土渗透系数的减小,排桩的隔离效果越好。     

饱和土中管桩的水平动阻抗研究

为了考察桩、土主要参数对饱和土中管桩水平振动的影响,将土体分为桩周饱和土和桩芯饱和土两部分,利用多孔介质理论的饱和土控制方程建立了饱和土-管桩的耦合振动模型。在考虑桩周饱和土和桩芯饱和土边界条件的情况下,运用势函数解耦的方法对桩周饱和土和桩芯饱和土的水平振动进行了求解。在考虑桩周饱和土和桩芯饱和土对管桩作用的情况下对饱和土中管桩的水平振动进行了求解,得到了管桩桩顶的水平动力阻抗,并分析了主要桩、土参数对管桩水平动力阻抗的影响。研究表明：管桩内外半径、桩周土和桩芯土剪切模量比、泊松比之比对管桩水平动力阻抗的影响较大,低频时液-固耦合系数比对管桩水平动力阻抗有一定的影响,而阻尼比之比对管桩水平动力阻抗阻尼因子有一定的影响。     

排桩对柱面SH波散射问题研究：解析求解

采用波函数展开法结合Graf加法定理,利用桩体与土体之间的位移和应力连续边界条件,给出了全空间单排桩对柱面SH波散射解析解,并采用傅里叶逆变换,求得时域结果。该方法考虑了入射波曲率的影响,在频域内分析了柱面SH波入射时排桩散射的频谱规律,给出了时域排桩柱面SH波散射位移云图,讨论了桩数与桩间距对柱面SH波入射时排桩散射的影响。研究表明：在振源距排桩较近（d/a=10）时,低频段（η=0~1.0）排桩对柱面SH波的隔离作用显著;振源距排桩较远时,各频段排桩对柱面SH波的隔离作用均较为显著。桩间距固定时,增加桩数,排桩后方首次出现的最大位移响应相应减小,排桩散射的影响范围随之增大;对柱面SH波进行阻隔时,为提高阻隔效率的同时节约成本,不仅需要考虑桩数,还应考虑波源与桩体、桩间空隙相对位置的影响;排桩分布宽度固定时,由于入射波曲率对排桩散射的影响,减小桩间距,排桩后方首次出现的最大位移响应有可能会出现放大的情况,故应采用合理的桩间距对柱面SH波进行阻隔。     

周期分布桩体对平面SH波隔振效应的解析求解

将排桩对平面SH波的隔振简化为弹性波散射的二维平面问题,基于全空间中无限周期结构的周期特性,给出了一种求解无限周期分布桩体对平面SH波隔振效应的解析方法。该方法采用波函数展开法并结合Graf加法定理,利用全空间中相邻周期单元的散射波场在频域内相差一个相位的特性,仅选取一个周期单元,将入射波场和所有散射波场的贡献叠加后,根据边界条件求解待定系数,从而求得整个散射波场。该解析解能够精确求解无限周期分布桩体的散射问题,分析周期分布桩体数量较多时的隔振规律,弥补了以往理论分析中桩体个数较多时难以求解的不足。重点讨论了桩体个数、桩体刚度、桩体间距和桩体类型等因素对隔振效果的影响,结果表明：（1）该方法显著降低了求解大量桩体问题时的存储量和计算量,有限周期模型计算结果随桩体个数增多收敛于无限周期模型,反映了该方法的正确性;（2）整体上桩体刚度增大有利于提高隔振效果,但桩体刚度对隔振效果的提升有限,桩体剪切波速为土体5倍时已具有足够的隔振效果;（3）桩间距对隔振效果有着直接影响,间距越小则低频禁带宽度越大;（4）桩体类型对隔振效果有着显著影响,实心桩有着良好的隔振效果,而具有柔性内填充的管桩在低频段有着更佳的隔振效果。     

多重散射问题的改进算法以及双排非连续弹性屏障对水平向剪切波的隔离研究

与Aviles等学者的多重散射隔振理论相比较,采用更为完整的Fourier-Bessel函数系的级数展开表达式来研究弹性波入射下的多重散射问题。引入Graf加法定理,并结合位移和应力边界条件,推导了无限均匀弹性介质中任意分布的多个弹性圆柱体对于平面水平向剪切波(SH波)入射时散射系数的理论解析解。随后,取圆柱体分布于两条相互平行的直线上,则问题演变为双排弹性桩屏障对于弹性波的隔离问题。引入无量纲位移(屏障后土体总的位移与仅由入射平面水平向剪切波引起的位移的比值)和透射系数(屏障宽度范围内无量纲位移的几何平均值)的概念来研究屏障的隔振效果。重点讨论了双排桩间距h以及桩土的剪切模量比ξ对于屏障整体隔振效果的影响,阐述了双排桩屏障的隔振性状。特别地,当h=0时,该问题退化为常见的单排非连续屏障的隔振问题。     

考虑三维波动的饱和土中管桩群桩的水平振动研究

考虑桩周饱和土和桩芯饱和土的三维波动效应研究了饱和土中管桩群桩的水平振动,得到了管桩群桩的水平动力阻抗。将桩周土和桩芯土视为两相饱和土,并利用多孔介质理论来描述其力学特性。运用数学物理手段求得了桩周饱和土和桩芯饱和土的水平动力阻抗。运用波的传播理论和叠加原理,同时考虑边界条件和三角函数的正交性,求得了管桩群桩中任一根管桩的水平作用力。考虑刚性承台处管桩桩顶位移协调条件和桩顶水平作用力平衡条件,得到了饱和土中管桩群桩的水平动力阻抗。以2×2管桩群桩为例分析和讨论了有关物理参量对饱和土中管桩群桩水平振动特性的影响。研究结果表明:实芯群桩与管桩群桩的水平动力阻抗都存在一定的差异,频率较小时需要考虑桩芯饱和土与桩周饱和土性质的差异对管桩水平动力阻抗的影响,管桩长径比和管桩壁厚对饱和土中管桩群桩水平振动的影响较大,在实际工程设计中需要重点考虑桩身尺寸。     

考虑横向惯性效应时桩侧土-管桩-土塞纵向耦合振动特性研究

与实心桩相比,由于土塞与管桩内壁复杂的相互作用,开口管桩的桩-土动力相互作用问题更为复杂。因此,需深入研究考虑土塞效应时的管桩-土体动力相互作用问题。首先,考虑管桩的横向惯性效应及其黏性性质,采用Rayleigh-Love动力杆件模型和附加质量模型建立了桩侧土-管桩-土塞系统的纵向振动控制方程。进一步,采用积分变换和阻抗函数传递技术,分别得到了任意荷载形式下管桩桩顶速度频域响应的解析解以及半正弦脉冲激励作用下桩顶速度时域响应的半解析解。最后,通过与现有解及模型试验的对比研究验证了理论解的合理性,并研究了管桩设计参数对桩顶纵向振动特性的影响。结果表明,当管桩其他设计参数不变时,管桩截面尺寸越大或长度越小时,应力波传播过程中的弥散效应越明显。对于同样外半径的管桩,壁厚越大时,越容易检测到土塞顶部界面及桩尖传来的反射信号,就能对管桩的施工质量进行更为合理的评价。     

土钉墙+排桩在明挖隧道深基坑支护中的几个问题

就当前土钉墙+排桩在明挖隧道深基坑支护中的几个问题,开展了有针对性的研究。采用理论分析和数值计算方法,结合工程实例,深入探讨了土钉墙坡比i,排桩桩径-间距（D-S）,以及设有内支撑时,桩-撑相对刚度等参数的选取原则。结果表明：（1）i越小,土钉墙越稳定,但排桩弯矩、水平位移越大。在土钉墙自身滑动稳定前提下,i宜取大值。（2）D-S越大,排桩水平位移越小,排桩混凝土、钢筋量越少,造价越低,但桩间土的防护越困难。在工程地质好、地下水位低的情况下取大桩径、大间距,反之取小值。（3）弱桩强撑的支护效果好,但对施工干扰大;强桩（非悬臂）弱撑造价低。选择桩-撑的相对刚度需从工程地质、周边环境要求、工期、造价等因素综合考虑,方能达到安全可靠,经济合理的目的。     

应力波在平台-桩系统中传播的实验研究

分析了应力波在平台－桩系统中的传播图案。对有限尺寸的平台来说，应力波在平台边界面上会发生反射，反射波不仅有同类波同时还有转换波，除此之外，平台表面的响应还受桩及桩土相互作用的影响。除非桩身反射波走时较长，可以避开平台上的各种干扰波，否则，由平台实测波形特征来分析平台下桩的完整性是很困难的。通过对平台上完整桩实测波形与异常桩波形进行比较，可以提高波形识别的准确度，此外，根据桩侧面测点及平台表面测点走时，相位、幅值间关系，将两者信号进行比较，可以从复杂的信号中辨别出桩身反射波信号。     

不同饱和度土层分界面上剪切波的反射与透射

基于多相孔隙介质弹性理论,给出了非饱和土中不同弹性波的传播方程。根据分界面上的边界条件,建立了各势函数波幅值之间的关系式,讨论了入射剪切波在不同饱和度土层分界面上的反射与透射问题。在无限空间非饱和土体中存在3种压缩波和1种剪切波,因此,当剪切波传播到不同饱和度的非饱和土层分界面上将分别在上、下土层激发产生4种反射波和4种透射波。推导出不同反射波和透射波的振幅比例系数和能量比例系数的理论表达式,并且在此基础上进行数值分析。在数值算例中分别研究了各反射波与透射波的能量比例系数（即能量反射率和能量透射率）受入射频率、入射角度以及上、下土层土体饱和度变化的影响情况。计算结果表明：各能量反射率和能量透射率不仅与入射角和入射频率有关,而且其受上、下土层饱和度变化的影响也同样不能忽视。     

低应变法检测PHC桩身缺陷的新认识

通过宁德国际会展中心桩基工程的低应变法检测事例,提出了反射波形上出现与入射波反相反射波并不一定仅是土层反应,断桩也可能导致低应变波形出现明显的反相反射波,进而对该桩基质量进行全面分析、评价,对桩基检测结果作出判断。     

Multi-Scattering of Plane P Waves by Several Fluid-Filled Cavities

The conformal mapping method of complex functions and expansion method of wave functions are adopted, the stresses and displacements at the boundary between the cavities and inner fluids are considered as continuous, and then the theoretical solutions are obtained about the scattering problems of incident P waves by several fluid-filled cavities. Two circular cavities are taken as examples, the influences of frequencies of incident P waves, whether there are inner fluids or not and the spacing distances between the two cavities on the scattering amplitudes are studied, and the results reveal that: the scattering amplitudes of two cavities decrease when the distance between the two cavities increase and they reach constants when the spacing distance exceeds 7.5 times of cavities radius, and the inner fluids would absorb part of energy of the scattered waves and the scattering amplitude of the cavities filled with fluids would slightly smaller than those without fluids.     

PCC桩低应变反射波法检测时速度波形成机制探讨

现浇混凝土大直径管桩（PCC桩）低应变检测时,桩头附近存在着明显的三维效应,表现在与激振点夹角不同的测点的速度响应存在着明显的差别。基于所建立的解析公式,研究了桩顶各振动模式的动力响应特征,分析了桩顶总体速度响应沿环向和径向的变化规律。研究结果表明：90º点的总体速度响应主要来源于轴对称模式,45º点、135º点和180º点的桩底反射峰大小和到达时间与轴对称模式接近,但入射波峰大小和到达时间与轴对称模式差别较大;桩顶速度响应主要来源于径向第1阶的模式,第2阶以上的模式贡献较小;各点速度响应主要是前几阶模式的叠加结果,环向第10阶以上的振动模式对总体速度响应的贡献较小;各模式对入射波峰的形成都有较大贡献,但反射波峰主要来自轴对称模式的贡献;高频干扰峰主要来自第1阶非轴对称模式,各点干扰波峰值、相位不一,90º点干扰波峰值最小,0º～90º点与90º～180º点相位相反;环向各点的速度响应差别较大,但沿径向的变化却不很明显。     

Amplitude reduction of elastic waves by a row of piles in poroelastic soil

This paper studies the displacements behind a row of elastic piles in a homogeneous unbounded poroelastic soil after excitation by the passage of elastic waves. Biot’s theory is employed to describe soil behavior. Using a Fourier–Bessel series expansion with the aid of a translational addition theorem, closed-form expressions for the scattering coefficients are developed by imposing continuity conditions at the pile–soil interfaces. The influence of certain parameters, such as pile rigidity and soil permeability on the screening performance of the pile barrier is investigated. Particular attention is focused on the influence of the soil permeability on the screening effectiveness of a row of piles in the frequency domain.     

预制管桩-搅拌桩复合地基静载试验分析

控制沉降和不均匀沉降是深厚软土地基上多层建筑工程设计的关键问题。以温州某康居工程为背景,把预制管桩结合水泥搅拌桩这种新型的刚柔性桩复合地基运用于该小区的地基处理,通过大型现场静载试验,研究了该类复合地基沉降随荷载变化规律,分析了刚性桩和柔性桩应力比、刚性桩土应力比、柔性桩土应力和荷载分担百分比随荷载变化的发展规律。研究表明,两种桩和土应力比值在静载试验中随荷载增加其值变化不大,充分发挥了桩间土的承载力特性。所得结论可为该类地基进一步的理论研究及工程设计提供有益的参考依据。