群桩-土-承台非线性共同作用固结过程分析

基于固结有限层的考虑提出了土体固结的桩-土-承台非线性共同作用分析方法。在此基础上,介绍了相应的计算程序CPRI的实现过程,给出了主程序计算框图和桩土承台支撑体系计算子程序框图。通过程序CPRI检验和算例分析,验证了程序的正确性。程序CPRI可以给出不同时刻桩-土-承台支撑体系的竖向位移、孔压、桩顶反力和土体反力变化的情况,从而模拟了非线性共同作用下固结的全过程。     

群桩扭转非线性模型

建立了一个非线性数学模型来分析群桩扭转问题。该模型利用非线性荷载传递曲线来模拟桩的非线性响应,采用Mindlin解计算各桩水平力间的相互作用,用Randolph解析解分析得到各桩间扭矩对水平力的影响。在各单桩中引入经验性的耦合系数,分析桩身水平变形引起的土体反力对该桩扭转承载力的影响。对比计算结果与离心机模型试验数据,表明该模型能够模拟群桩扭转中主要的桩-土-桩相互作用和荷载耦合作用,较好地反映了实际情况。     

高层建筑考虑桩-土-结构相互作用的地震响应分析

传统的抗震设计都是基于刚性地基的假设,然而在实际中,地基会发生变形致使上部结构的动力特性改变。本文结合工程实例,建立非线性有限元桩-土模型和土弹簧桩-土模型桩,用ANSYS建立了非线性有限元实体桩和土弹簧桩的房屋结构模型研究地震作用下结构在考虑桩-土-结构动力相互作用时的动力特性及其地震响应。     

土的次非线性对桩基核岛结构三维地震反应的影响

随着核电厂工程建设快速发展,核电厂选址不可避免地要面临土质场地。土-桩-结构动力相互作用对核岛结构的抗震安全性评价具有重要影响。以国内某拟建的AP1000核岛工程为背景,建立土质场地-群桩-筏板基础-核岛结构动力相互作用体系的3D模型,考虑场址的区域地震环境与历史地震活动性,选用近场中强震、中-远场强震和远场大地震的三分量记录作为基岩输入地震动。使用一步法和二步法分别实现对土体真非线性和主非线性的模拟,通过对比这两种方法计算的核岛结构地震反应的差异,可知土的次非线性（soil secondary nonlinearity,简称SSN）对核岛结构地震反应的定量影响,也即SSN效应。发现SSN效应对核岛结构水平向地震反应的影响明显大于对竖向地震反应的影响,SSN效应会导致土质场地-群桩-核岛结构体系变得更“柔”;SSN效应与基岩输入地震动的特性强相关,近场中-强地震作用时SSN效应最强;SSN会显著增大核岛结构的峰值加速度和峰值相对位移反应,在核岛结构的抗震设计中不应忽视SSN效应。     

桩-土-承台结构在波浪力作用下的力学效应分析

在港口桥梁工程和海洋工程中,一般将桩从桩-土-承台结构中分离出来,单独计算波浪力对桩的作用。在提出波浪力作用下桩-土-承台结构相互作用模型的基础上,结合工程算例,进行了桩-土-承台结构在波浪力作用下桩的荷载和弯矩计算分析,结果表明：在不考虑波浪力的情况下,计算结果跟规范方法较为接近,验证了桩-土相互作用模型的适用性。在此基础上迭加波浪力,将波浪力和桩-土-承台作为一个完整的系统研究,随着承台所受外力、波浪力、桩侧地基土的变化,分析了桩-土-承台结构在波浪力作用下的受力效应。     

变荷载下不排水桩复合地基桩间土和下卧层土固结分析

基于悬浮不排水桩复合地基超静孔隙水压力解答,建立了变荷载条件下复合地基桩间土和下卧层土平均固结度的解析解。通过与有限元解答的对比,证明了解析解的正确性和有效性。利用解析解对桩间土和下卧层土的固结性状进行了分析。研究发现,桩间土的固结速率远大于下卧层土,并随置换率和桩土模量比的增加而增大。在工程设计采用的置换率范围内,桩的贯入比较小时,下卧层土的固结速率受置换率和桩土模量比的影响很小;桩的贯入比较大时,下卧层土的固结速率随置换率和桩土模量比的增加而增大。桩间土和下卧层土的固结存在临界置换率和临界桩土模量比,超过临界值后,桩间土和下卧层土的固结速率不随桩土模量比和置换率的增加而增大。桩间土和下卧层土的固结速率随加荷速率的增加而增大。     

水平和竖向地震作用下液化场地群桩基础动力响应试验研究

为研究水平和竖向(双向)耦合地震作用下液化场地群桩基础的动力响应,设计了可液化地基-群桩基础-框筒结构动力相互作用体系振动台模型试验。选取不同类型模拟地震波作为振动台试验激励,通过对比水平地震作用和双向耦合地震作用下土体加速度、超孔隙水压力和群桩应变等试验结果,进而分析双向耦合地震作用对可液化地基和群桩基础动力响应的影响。研究结果表明:双向耦合地震作用下,液化场地土体竖向加速度峰值随土体埋深高度的减小而逐渐增大;饱和砂土的液化效应与双向耦合地震作用和输入地震波的类型有关;相比水平地震作用,不同种类波双向耦合地震作用下群桩基础桩身中部和底部的应变峰值增大,桩顶应变峰值变化略有不同;双向耦合地震作用加剧了建筑结构群桩体系的摇摆和倾斜。研究结果对可液化地基上群桩基础的抗震设计和防灾减灾具有十分重要的研究意义。     

考虑桩-土作用的高速列车-桥梁地震响应分析

基于空间梁单元有限元法,建立了两种高速铁路多跨简支梁桥的全桥空间分析模型,一种是包括桩基的列车-桥梁模型,给出成层土的动力阻抗,采用改进的Penzien模型模拟桩-土作用;一种是不考虑桩-土作用的墩底固结的列车-桥梁模型;分析了两种模型的自振特性,计算了两种模型在不同车速、墩高、地震强度、不同地震波等工况下的地震反应。计算结果表明,桥梁横向位移、加速度主要受到低频成分的影响,这部分频率与其底部地震波相互反馈,改变了地基运动的频谱组成,使接近于桥梁结构自振频率的分量获得加强,考虑桩-土作用后,横向位移/加速度增加较大;桥梁竖向振动频率受桩-土作用影响较小,随墩高和车速的增加梁体竖向位移增加不大,梁体竖向加速度受高频成分的影响较大,这些高频主要由车辆荷载和轨道不平顺引起。     

考虑非达西渗流和应力历史的土体非线性固结研究

黏土在低水力坡降下偏离达西定律的现象及应力历史对土体变形的影响已为人们所认识,但能够同时考虑非达西渗流及应力历史影响的土体固结理论还很鲜见。在传统太沙基一维固结理论基础上,引入经典的Hansbo渗流模型,并考虑土体在不同应力状态下的变形特性,建立实际变荷载作用下土体的非线性固结模型。利用有限差分法对模型进行数值求解。在保证数值解可靠性的基础上,着重分析非达西渗流对超固结土固结性状的影响及非达西渗流下应力状态对固结性状的影响,并分析比较其异同点。结果表明:非达西渗流下超固结土的固结速率要比达西定律下慢,且随非达西渗流模型参数m、i_1值的增大,固结速率的减慢愈加明显;对考虑非达西渗流的不同应力状态土体而言,超固结土的固结速率最快,且超固结土在外荷载作用下产生的地基最终沉降值最小;对考虑非达西渗流的超固结土而言,前期固结压力越大、回弹再压缩指数越小,则土的固结速率越快,地基土的最终沉降值越小。     

不同地震动强度下珊瑚礁砂地基中桩-土-结构地震响应试验研究

珊瑚礁砂在地震作用下的场地响应受其特殊的工程性质影响。为揭示珊瑚砂场地桩基-地基-上部结构在地震作用下的动力响应特性,开展了不同地震动强度下珊瑚砂地基上3层框架结构群桩基础的振动台模型试验,对地基土和结构物的动力响应进行测试与分析,同时与可液化福建砂场地进行对比研究。结果表明:0.1g正弦波激励下,两种砂模型地基内各处超孔压比均远小于1,模型地基未发生液化;0.2g正弦波激励下,两种砂模型地基发生液化,珊瑚砂场地液化程度小于福建砂场地,液化后的珊瑚砂场地模型地基相比福建砂场地仍具有一定的剪切传递能力和刚度。0.1g和0.2g振动强度下珊瑚砂场地建筑物沉降、水平位移和立柱动弯矩相比福建砂场地较小。不同振动强度下桩基础出现动弯矩峰值的位置不同。     

地震作用下黄土边坡动力响应数值分析

利用FLAC3D软件对某三级黄土边坡进行了动力反应分析。首先分析了静力作用下该黄土边坡剪应变增量和坡面、坡内、坡顶不同监测点的位移;在此基础上进行动力分析,得出黄土边坡地震动力响应规律。研究结果表明,静力作用下坡面上水平向位移明显大于垂直向位移,水平向位移从坡底向上逐渐减小;坡面处位移较大,位移在每级坡坡脚稍向上一定范围内达到最大值;地震作用下黄土边坡剪应变增量由坡脚稍向上部位开始向周围扩展,范围明显增大,且随地震持时的增加剪应变增量增幅较大;塑性区变化显示该黄土边坡坡顶以拉破坏为主,坡脚稍向上开始以剪破坏为主并伴有拉破坏。黄土边坡对地震波具有临空面放大效应,地震波在坡体内传播过程中还具有滞后效应     

动荷载作用下碎石渣路基动力响应的有限元分析

针对土资源缺乏地区利用施工造成的碎石弃渣作填料的高速公路碎石渣路基,采用有限元软件PLAXIS动力分析模块,计算碎石渣路基在车辆动荷载作用下的动位移、加速度等动力响应特性,并与传统的填土路基进行对比分析,验证了碎石渣路基具有较高强度和较强变形恢复能力等优点[1-9]。     

刚性动力荷载作用下地基动力反应的若干问题

研究了地基表面在刚性动力荷载作用下的动力反应,给出了柱坐标解。在此基础上获得一个实用的地基动力刚度。定性地讨论了地基刚度和阻尼及其相互关系。并提出一个求取地基动力刚度和粘滞系数的实用化方法。     

Nonlinear response of laterally loaded piles and pile groups

In spite of extensive studies on laterally loaded piles carried out over years, none of them offers an expedite approach as to gaining the nonlinear response and its associated depth of mobilization of limiting force along each pile in a group. To serve such a need, elastic–plastic solutions for free‐head, laterally loaded piles were developed recently by the author. They allow the response to be readily computed from elastic state right up to failure, by assigning a series of slip depths, and a limiting force profile. In this paper, equivalent solutions for fixed‐head (FixH) single piles were developed. They are subsequently extended to cater for response of pile groups by incorporating p‐multipliers. The newly established solutions were substantiated by existing numerical solutions for piles and pile groups. They offer satisfactory prediction of the nonlinear response of all the 6 single piles and 24 pile groups investigated so far after properly considering the impact of semi‐FixH restraints. They also offer the extent to ultimate state of pile groups via the evaluated slip depths. The study allows ad hoc guidelines to be established for determining input parameters for the solutions. The solutions are tailored for routine prediction of the nonlinear interaction of laterally loaded FixH piles and capped pile groups. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

爆轰荷载作用下球空腔热流固耦合动力响应

基于饱和多孔弹性介质热流固耦合动力模型(THMD)及控制方程,研究了爆轰荷载作用下球空腔内壁面受到随时间变化热、力冲击作用下的热流固耦合动力响应。利用Laplace变换技术,对控制方程进行解耦,获得了温度、位移、孔隙水压力和应力积分形式解。采用Laplace逆变换得到数值结果,分析了热流固耦合参数的影响特性,并将热流固耦合结果与热弹性条件下的结果进行比较,以验证热流固耦合条件下结果的正确性。     

桩基础对邻近场地冲击荷载的响应分析

桩基础对邻近场地作用冲击荷载的响应本质上是桩-土组成的体系在冲击荷载下的整体动力相互作用问题。为了研究该问题,采用有限元法模拟冲击荷载引起桩基础的振动。利用通用有限元分析软件ABAQUS建立了有限元-无限元（FE-IFE）耦合分析模型,分析了冲击荷载作用时桩基础动力响应的规律,并对影响桩基础响应的因素进行了探讨。计算结果表明,桩的振动程度取决于冲击荷载作用间距和冲击荷载能量,而冲击荷载作用间距越远,桩的振动波长越长。     

循环荷载下桩网结构路基和垫层动力响应研究

基于相似理论,开展了4组桩网结构路基大比例动态模型试验,测试了循环荷载下桩网结构路基的动力响应指标,研究了降雨前、后加载力、加载频率以及循环加载次数对路基的动力响应、桩土荷载分担以及垫层格栅应变的影响。结果表明,降雨后路基动应力和动加速度均会增大,并且在基床内部增速较快,而路堤下部其增长基本趋于稳定;循环加载期间桩土应力比缓慢增大,其受降雨影响敏感,雨后降幅可达56.4%～79.5%;循环加载完成后垫层格栅应变增大,其横向分布特征基本保持不变;土拱形成后路基填高继续增加,路基宽度范围内4桩中心格栅应变增幅较大,峰值出现在边坡中心和路基中心附近,横向分布呈“W”型;两桩中心的格栅应变由路基中心向坡脚处呈“台阶”型递增,而路基宽度与边坡范围的格栅应变差距不断缩小。     

软土地层桥梁群桩基础桩土共同作用性状的非线性有限元分析

通过对某高速铁路特大桥群桩基础进行三维非线性有限元分析,并结合现场试验得出的规律进行相应的对比分析,研究了软土地层桥梁群桩基础桩身轴力、桩侧摩阻力、基底土体附加应力、孔隙水压力分布、超孔隙水压力消散和群桩基础荷载沉降规律。计算结果表明,基桩所承受的轴力,角桩＞边桩＞中心桩,角桩和边桩的轴力沿桩身减小的幅度较大,而中心桩的轴力沿桩身减小的幅度稍小;各基桩桩侧摩阻力的发挥情况,侧摩阻力值总体上呈角桩＞边桩＞中心桩,相对滑移量基本呈上大下小的形态,即桩身上部桩-土之间产生的相对滑移量较中下部要大;外荷载作用下产生的土体附加应力和超孔隙水压力主要集中在承台底以下土体的一定范围内,其衰减梯度沿深度方向逐渐降低,随着固结时间的延长,群桩基础沉降达到稳定。     

循环荷载作用下单桩动力模型试验与桩−土界面特性研究

通过开展红黏土中单桩轴向循环振动模型试验,研究不同循环荷载比和加载频率对桩长期动力特性的影响,从桩侧土剪切刚度和侧阻退化两方面出发,对循环荷载作用下桩顶累积沉降机制进行分析。在FLAC3D中,实现能够反映剪切刚度疲劳退化的修正Hardin-Drnevich（H-D）模型,并对常法向刚度（CNS）循环剪切下侧阻退化进行数值模拟。试验发现,循环荷载幅值是桩顶累积沉降变化的重要影响因素;桩顶动刚度在加载初期要先经历一个迅速降低的短暂过渡阶段,之后则不随振次的增加而改变;桩身振动在桩周土中引起的超孔压较小,有效应力的降低不足于使侧阻力发生较大程度的退化;随着加载速度的增大,桩顶动刚度和加速度均随之增大。采用修正H-D模型得到的理论滞回曲线与数值结果基本吻合,验证了程序编制的正确性。     

纵向非一致激励下自由场土体的非线性地震反应研究

土体地震反应分析对结构的地震反应和抗震安全性评价具有重要的意义,以大型振动台模型试验为手段,研究一致激励和非一致激励下自由场土体的非线性地震反应规律及其影响因素,能够为结构的地震破坏机制分析提供支撑。通过对场地土体的动力特性、加速度响应、剪应力-剪应变曲线以及土体沉降的分析,研究了不同地震动、不同地震强度作用下自由场土体的地震动反应特性及其变化规律。研究结果表明:土体的非线性发展程度不仅与地震动记录有关,还与地震动输入方式、加载等级有关;在大震或纵向非一致激励作用下,土体运动的不一致性导致了更强的土体结构性变化,频率降低,阻尼比增大,土体刚度弱化,土体的非线性发展相对较快;土体剪应力-剪应变曲线和沉降曲线的变化规律一定程度上也反映了土体的塑性发展情况。所得结论和自由场地震反应宏观现象一致,彼此佐证了结论的合理性。