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。     

非均质土中桩端扩散虚土桩法的桩基纵向振动研究

根据桩端土应力扩散的规律,建立了桩端扩散虚土桩模型。基于该模型对非均质土中桩-土纵向耦合振动进行研究。利用复刚度传递多圈层平面应变模型,得到桩与虚土桩桩侧土的剪切复刚度。结合边界条件、初始条件和连续条件,对扩散虚土桩和实体桩动力方程从底层往顶层逐层进行求解,得到桩顶动力响应的频域解析解和时域半解析解。通过对桩端扩散虚土桩扩散角、扩散层厚度、桩侧土非均质性和桩长的影响进行计算分析,得到基于扩散虚土桩法桩-土纵向振动响应特性。研究结论可为桩基础动力设计和动态检测提供理论依据。     

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。     

分数导数模型描述的饱和土桩纵向振动分析

土体具有黏弹性性质,为了更好地考虑饱和土体固相土骨架的黏弹性性质,在分数导数理论和多孔介质理论的基础上,将土体视为液固饱和两相介质,并利用分数导数模型来描述饱和土固相土骨架的应力-应变关系,建立分数导数模型描述的饱和土的控制方程。在三维轴对称情况下,利用势函数和分离变量法研究了分数导数模型描述的饱和土中桩的振动问题。分析了模型参数对饱和土中桩的竖向振动的影响。研究表明,分数导数模型描述的饱和土的控制方程应用范围更广,模型参数对桩的竖向振动有较大的影响。     

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     

桩在饱和土中水平振动的辐射阻尼简化算法

将适用于单相土－桩系统的Novak的平面应变假设和Gazetas的分象限假设推广到饱和土－桩系统中。通过简化后的微分方程推导了饱和土－桩系统辐射阻尼系数的解析解答。最后用算例说明了饱和土中两个压缩波的特性，比较了饱和土和单相土的单位桩长辐射阻尼系数，比较了简化算法和三维有限元方法求得的桩头幅射阻尼比，结果证明简化算法在一定条件下适用于计算层饱和土－桩系统的辐射阻尼。     

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。     

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。     

饱和黏弹性地基土中管桩纵向振动研究

用解析方法在频率域内研究考虑质量耦合效应的饱和黏弹性地基土中管桩的纵向振动特性。基于Biot理论,采用薄层法,推导得到饱和黏弹性地基土的位移、应力等的表达式。将管桩等效为一维弹性杆件处理。根据界面连续性条件,给出饱和黏弹性地基土中管桩的纵向振动一般分析方法和桩顶动力复刚度的表达式。在该基础上,对比分析饱和地基土中实心桩和管桩纵向振动特性。通过算例分析,考察桩周土和桩芯土的力学参数对桩顶刚度因子和等效阻尼的影响。研究表明,饱和黏弹性地基土中实心桩和管桩的纵向振动有明显的差异。     

轴对称径向非均质土中单桩纵向振动特性研究

为了分析径向非均质土中单桩纵向振动特性,基于复刚度传递径向多圈层并采用黏性阻尼模型描述桩周土材料阻尼,建立了三维轴对称径向成层非均质土体中桩基纵向振动简化分析模型。采用Laplace变换和复刚度传递方法,递推得出桩周土体与桩体界面处复刚度,进而利用桩-土完全耦合条件推导得出桩顶动力阻抗解析解,并将所得解退化到均质土情况,与已有解答进行比较验证其合理性。在此基础上对桩基纵向振动特性进行参数化分析,计算结果表明：桩周土体阻尼系数、桩底土阻尼因子仅对桩顶动力阻抗曲线振幅有较明显的影响,而桩底土刚度因子对桩顶动力阻抗曲线振幅及共振频率均有显著影响;桩周土软（硬）化程度越高（低）,桩顶动力阻抗曲线振幅越大（小）;桩周土软（硬）化范围越大,桩顶动力阻抗曲线振幅水平越高（低）;但桩周土软（硬）化程度、软（硬）化范围对桩顶动力阻抗曲线共振频率影响则可忽略。     

基于虚土桩模型的层状地基群桩沉降研究

群桩中各基桩之间的加筋与遮帘效应和桩端土体变形是群桩沉降计算中的关键部分,极大地影响计算结果的准确性,然而,目前相关的研究仍显不足。采用剪切位移法原理分析了各基桩之间的加筋与遮帘效应,通过荷载传递法原理推导出层状地基土中各基桩桩底、顶之间的沉降与轴力关系式;基于虚土桩模型,探讨了虚土桩长度的影响因素并给出了定量计算公式,得到了层状地基土中各虚土桩顶、底之间的沉降与轴力关系式;利用基桩与虚土桩的边界条件和平衡关系确定柔度系数矩阵,进而根据不同的承台形式求得群桩沉降。工程案例计算表明,理论计算与实测值吻合较好,该方法具有较高的准确性。其研究结果对群桩沉降计算理论的发展具有一定的补充和推动作用。     

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。     

Longitudinal vibration of a pile embedded in layered soil considering the transverse inertia effect of pile

The dynamic response of a viscoelastic bearing pile embedded in multilayered soil is theoretically investigated considering the transverse inertia effect of the pile. The soil layers surrounding the pile are modeled as a set of viscoelastic continuous media in three-dimensional axisymmetric space, and a simplified model, i.e., the distributed Voigt model, is proposed to simulate the dynamic interactions of the adjacent soil layers. Meanwhile, the pile is assumed to be a Rayleigh–Love rod with material damping and can be divided into several pile segments allowing for soil layers and pile defects. Both the vertical and radial displacement continuity conditions at the soil–pile interface are taken into account. The potential function decomposition method and the variable separation method are introduced to solve the governing equations of soil vibration in which the vertical and radial displacement components are coupled. On this basis, the impedance function at the top of the pile segment is derived by invoking the force and displacement continuity conditions at the soil–pile interface as well as the bottom of pile segment. The impedance function at the pile head is then obtained by means of the impedance function transfer method. By means of the inverse Fourier transform and convolution theorem, the velocity response in the time domain can also be obtained. The reasonableness of the assumptions of the soil-layer interactions have been verified by comparing the present solutions with two published solutions and a set of well-documented measured pile test data. A parametric analysis is then conducted using the present solutions to investigate the influence of the transverse inertia effect on the dynamic response of an intact pile and a defective pile for different design parameters of the soil–pile system.     

饱和土中桩水平振动引起土层复阻抗分析研究

基于Biot动力固结方程,研究了饱和土中端承桩在水平振动时产生的土层复阻抗特性。对动力固结方程进行变型,采用算子分解及分离变量法得到简谐稳态水平振动下土层复阻抗动力响应的解析解。将该解与等效单相解以及单相解进行了对比,并阐明各解之间的关系,指出可等效成等效单相解的条件。通过参数分析,剖析了渗透系数、桩土模量比和桩长径比对土层阻抗的影响。