基于薄层法的饱和土桩纵向振动研究

在饱和多孔介质理论的基础上,将桩周土体看作液固饱和两相介质,借助于Novak薄层理论得到了饱和土层的竖向动力阻抗,研究了饱和土中桩的纵向耦合振动,并对比分析了采用三维模型和薄层法的结果,验证了结果的正确性。分析讨论了桩土主要力学参数对饱和土-桩耦合体系动力行为的影响。研究结果表明,桩的长径比、桩土模量比等对饱和土桩耦合体系纵向振动的影响相对较大,而土的黏滞阻尼系数和液固耦合系数的影响相对较小。     

考虑横向效应饱和黏弹性土层中桩的纵向振动

由于饱和土中土体颗粒与孔隙水的相互作用以及桩与土体的不同渗透率,饱和土体中桩基的力学行为与单相土中桩基力学行为有很大的差别。基于饱和多孔介质理论,考虑桩纵向振动时的横向变形及惯性效应,将桩等效为Rayleigh-Love杆,在频率域中研究了饱和黏弹性土层中端承桩纵向振动的动力特性,给出了饱和黏弹性土层和桩纵向振动时动力响应的解析解及桩头复刚度的解析表达式。通过数值计算,给出了桩头动刚度因子和阻尼随激励频率的响应,考察了饱和土物性参数、桩土模量比、桩长径比、泊松比等参数对桩头刚度因子和阻尼的影响。研究表明,对于大直径桩,当外载荷激励频率较大时桩横向效应对桩头刚度因子和阻尼有显著的影响     

完整桩或破损桩的“质量—弹簧—阻尼”模型研究及实测结果对比

应力波传递理论与弹性波动原理适用于桩基振动的动力分析，作者从工程学的等效观点出发，将完整桩土系统与破损桩土系统分别等效简化为单个自由度的“质量－弹簧－阻尼”模型与多单元（多自由度）的“质量－弹簧－阻尼”模型研究讨论。结果表明：完整桩或破损桩的理论模型结果分别与实际的好桩或断桩振动波形曲线吻合，并通过付氏变换后得到桩基的响应函数或频谱函数作桩基动力学参数反演计算，具有简单、快速、实用、准确等优点。     

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。     

桩土相互作用地基桩定量分析的影响

基桩完整性定量分析与桩土相互作用特性有关，桩土相互作用可用线性阻尼壶来模拟，文中讨论了桩土相互作用模型参数对计算结果的影响，在桩土相互作用下，应力波在桩身中传播呈指数形式衰减，确定衰减系数之后，用反射波峰值与入射波峰值比较便可近似确定桩身异常处截面完整系数。     

考虑饱和土的地铁车站结构非线性地震反应研究

饱和土广泛存在于自然界之中,将土体视为固－液二相介质,基于biot饱和土介质动力方程的u-p形式研究了反映饱和土无约束域能量辐射效应影响的等效黏弹性人工边界单元,基于地震波转化为作用于人工边界节点上等效荷载的方法实现了波动输入。采用算例验证了等效人工单元的精度。建立饱和土-地铁车站非线性有限元整体模型,分析了考虑双相介质饱和土的波动传播,对比了饱和土及单相土在地震作用下地铁车站的地震反应,并与振动台试验结果进行了比较,研究表明：地震作用下采用考虑多孔介质的特性分析地基土与单相固体介质相比更加合理。通过对车站结构关键构件的加速度、位移和内力等进行分析,研究了饱和土－地下结构相互作用体系的地震反应。     

基于多孔介质理论的饱和土中群桩水平振动特性

Dobry和Gazetas分析群桩振动特性的理论是将土体视为单相介质提出的,对于饱和土中桩-桩相互作用和群桩振动是否适用有待验证。将土体视为液固两相多孔介质,运用Novak薄层法和引入势函数的方法,求解了饱和土层的水平动力阻抗和自由场水平位移衰减函数,并在初参数法的基础上求解了桩-桩水平动力相互作用因子,运用基于动力相互作用因子的叠加原理对饱和土中群桩的水平振动进行了分析,并以3×3桩为例对群桩动力阻抗的主要影响参数进行了分析。提供了一种分析饱和土中桩-桩动力相互作用和群桩动力阻抗的新方法。     

基于土体三维波动模型的饱和土中管桩竖向振动

基于土体的三维波动模型研究了饱和土中单个管桩的竖向振动。将桩周土和桩芯土视为两相多孔介质,管桩视为等截面的圆管杆单元。在考虑桩周饱和土和桩芯饱和土径向位移和竖向位移的情况下,建立了基于土体三维波动模型的饱和土-管桩竖向耦合振动模型。借助势函数和分离变量法并考虑土体边界条件,求解了考虑土体三维波动的桩周饱和土和桩芯饱和土的竖向振动。在此基础上,考虑管桩桩端边界条件,利用三角函数正交性求解了饱和土中单个管桩的竖向振动,得到了管桩桩顶的竖向复刚度。通过数值算例,对比分析了土体三维波动模型解和不考虑土体径向位移的简化模型解的计算结果,分析了主要桩、土参数对饱和土中管桩竖向振动的影响。研究表明：当管桩壁较薄时且低频时不应忽略土体径向位移的影响,在动态刚度因子和等效阻尼随频率变化曲线峰值峰谷处不宜忽略土体液相的影响,管桩壁不宜过薄。管桩壁厚、长径比、桩芯饱和土与桩周饱和土密度比、剪切模量比以及桩-土模量比对饱和土中管桩竖向振动有较大影响,在进行管桩设计时需要综合考虑相关参数。     

成层饱和土中考虑横向惯性的单桩纵向振动

基于饱和多孔介质理论,研究了成层饱和黏弹性土层中端承桩的纵向振动特性。首先利用Novak薄层法,得到了土层对纵向振动桩的动力阻抗。其次,将桩等效为Rayleigh-Love杆,给出了成层饱和黏弹性土中端承桩纵向振动的一般分析方法和桩头动力复刚度的解析表达式。具体分析了两层饱和黏弹性土中端承桩的纵向振动特性,得到了桩头动刚度因子和等效阻尼随频率的响应特征,讨论了物理和几何等参数对动刚度因子和等效阻尼的影响。结果表明：桩长径比、土层模量比以及桩土模量比等对桩头动刚度因子和等效阻尼有显著的影响。相比于均质土层中的桩,上层土越硬或下层为软弱土层,桩的动刚度因子和等效阻尼振动幅值增大,其周期随长径比显著变化,且对于大直径桩,动刚度因子和等效阻尼随频率呈振动变化。同时,土体与孔隙水相互作用系数和桩泊松比等的影响相对较小。其结果可作为桩基动力基础设计和动力检测等基础数据。     

测定低应变桩土相互作用阻尼系数的试验方法

低应变桩土相互作用阻尼系数是进行基桩缺陷定量化分析的一个关键参数。利用瞬态激振作用时桩顶入射波与反射波之间的关系,提出了确定低应变桩土相互作用阻尼系数的方法。对砂土、粉土、粘土进行的试验结果表明,低应变桩土相互作用阻尼系数不是一个常数,它随桩侧土受到的上覆有效压力增加而增加。当桩侧土受到的上覆有效压力从30kPa增加到180kPa时,3种土的阻尼系数均增大了30%以上。同样应力条件下,砂土的阻尼系数最小,粉土次之,粘土最大。     

地震作用下饱和土-桩-上部结构动力相互作用研究

将土体视为液固两相多孔介质,利用连续介质力学得到了饱和土层的水平动力阻抗,将上部结构视为梁单元,桩-饱和土-桩之间的动力相互作用借助于等效的Winkler动力弹簧和波的干涉来模拟,并通过承台处力的平衡将群桩和上部结构耦合起来,研究了简谐SH地震波作用下饱和土-桩-上部结构的动力相互作用问题。以2×2群桩为例,对饱和土-桩-上部结构体系进行了数值分析,讨论有关参数对结构体系动力特性特别是抗震性能的影响。数值分析表明,桩间距、桩-土弹性模量比、长径比等对结构体系的抗震性能有较大影响。桩间距对地震放大系数的影响与外界激励的频率有关,桩土模量比较小、结构和桩基的阻尼较大时结构体系的抗震效果较好,长径比越大地震作用下产生的结构变形越大     

Development of a three-dimensional soil model for the dynamic analysis of end-bearing pile groups subjected to vertical loads

This paper presents a new analytical model for calculating the steady-state impedance of pile groups subjected to vertical dynamic loads. The derived solution allows considering effects of radially but also vertically propagating soil waves on the soil attenuation function, pile interaction factor, and pile group impedance. The proposed model provides accurate estimates of the soil stress field and of the response of the pile group in the low as well as in the high-frequency range, unlike earlier solutions based on the plane-strain model to describe the soil surrounding the piles, which ignores the vertical soil stress gradient. The latter assumption results in underestimating pile group impedance and overestimating radiation damping for frequencies lower than the cutoff frequencies of the system, which are explicitly captured with the proposed solution.     

考虑应力扩散时桩端土性对单桩沉降影响分析方法

基于虚土桩模型,分析了层状地基中桩端土性对单桩沉降特性的影响。首先,以虚土桩扩散角反映桩端土层应力扩散效应,将桩端一定锥角范围内由桩端至基岩面的土体视为虚土桩,并根据其变截面特性,将虚土桩沿纵向划分为有限个微元段。然后,对桩及虚土桩桩侧土体采用理想弹塑性荷载传递模型,利用荷载传递法,推导了层状地基中以桩侧土塑性发展深度为变量的单桩荷载-沉降递推计算方法,并进一步得到了桩身轴力及桩侧摩阻力递推计算式。在此基础上,给出了荷载传递模型参数选取方法,并分析了虚土桩临界深度的影响因素及由实测荷载-沉降曲线反演虚土桩扩散角的可行性。最后,利用该方法分析了桩端沉渣和软弱下卧层对荷载-沉降曲线的影响。结果表明,考虑桩端土层应力扩散效应时,通过计算得到的桩顶及桩端荷载-沉降曲线与实测曲线吻合较好;当桩端存在沉渣或软弱下卧层时,采用虚土桩模型的单桩沉降计算方法可以在一定程度上反映沉渣特性及软弱下卧层埋深等因素对桩顶荷载-沉降曲线的影响。     

饱和土场地-桩基-地上结构体系的地震响应研究

饱和土场地-桩基-地上结构体系中,饱和土与结构分别具有不同控制方程和计算方法,造成有限元计算的不便。基于Client-Server技术,通过两个子程序分别计算饱和土和桩基-上部结构的动力响应,并利用土体和结构的共同节点传递两者间的作用力与位移,建立了一套求解饱和土-结构相互作用问题的交互式计算方法,其中饱和土采用基于u-p（其中u表示固相位移,p表示孔压）方程的全显式时域积分法求解,有效提高计算效率。最后,通过与Newmark法的数值结果进行对比,验证了提出方法的正确性,并说明该方法可以应用于求解饱和土场地-桩基-地上结构体系的地震响应问题。     

Group interaction on vertically loaded piles in saturated poroelastic soil

The pile-to-pile interaction was obtained for vertically loaded piles embedded in homogeneous poroelastic saturated soil. Deduced from Biot’s theory, the fundamental functions of the quasi-static development for the force, displacement and pore pressure were acquired in cylindrical coordinates. The pile–soil system was decomposed into extended soil and fictitious piles, and the compatibility condition was set up between the axial strain of the fictitious piles and the corresponding average strain over the extended soil. This approach results in the governing equations, which consist of the Fredholm integral equations of the second kind and the basic unknowns of the axial forces along the fictitious pile shaft. The axial force and settlement along the pile shaft were calculated based on the axial forces of the fictitious piles. The interaction between the piles was investigated under different consolidation conditions through a two-pile model, and two pile interaction factors were obtained. Stemming from the two-pile analysis, numerical analyses on the settlement of the pile groups were conducted to probe pile interaction with consolidation. The conventional solutions for the single-phase soil-pile problem seem to underestimate the interaction factor if the consolidation effect is taken into account as pile settlement continues. The pile-to-pile interaction can also aggravate the percentage of consolidation settlement (PCS), and as the pile number increases, the value of the PCS will also increase. Several key factors, such as the pile stiffness, pile slenderness ratio and pile spacing, are investigated to better understand the impact of consolidation on pile analysis.     

黏弹性地基中PCC桩扭转振动响应解析方法研究

考虑土体材料的黏性阻尼和桩-土扭转耦合振动,把桩看作一维杆,将土体视作三维轴对称黏弹性介质,对黏弹性地基中现浇混凝土大直径管桩（简称PCC桩）扭转振动频域特性进行了理论研究,采用Laplace变换和分离变量的方法求得了桩顶扭转频域响应解析解。将所得解完全退化到实心桩的解,并与经典平面应变解进行对比,验证了解析解的合理性。分析了桩长以及土体黏性阻尼系数对桩顶速度导纳和复动刚度的影响,得到了各参数对桩扭转振动特性影响的规律。分析表明：桩周土黏性阻尼系数增大可以显著提高桩顶扭转复动刚度和减小速度导纳振荡幅值,而桩芯土黏性阻尼系数的影响不明显;桩长越长,桩顶复动刚度越大,速度导纳振荡幅值越小,但当桩长增大到一定程度时,再继续增加桩长,桩顶复动刚度基本没有改变。