基于虚土桩模型的三维饱和介质中浮承桩纵向振动特性分析

基于Biot波动理论提出了一种桩底饱和虚土桩模型,同时考虑桩周、桩底土体三维波动效应及饱和特性,建立了三维饱和黏弹性土、虚土桩和实体桩完全耦合振动定解问题。采用势函数求解得出饱和土体位移解,并利用饱和土-桩界面耦合条件,求解得出桩顶纵向振动动力阻抗解析解答。将所得解退化到已有解析解进行对比验证,并在此基础上对浮承桩纵向振动特性进行参数化分析,计算结果表明:桩底饱和土层厚度越大,桩顶动刚度和动阻尼曲线振幅及共振频率越小,且当桩底饱和土层厚度增大到一定程度后,振幅呈现大、小峰值交替现象;桩周饱和土体孔隙率仅对桩顶动力阻抗曲线振幅产生明显影响,而桩底饱和土体孔隙率对桩顶动力阻抗曲线共振幅值和共振频率均影响显著;随桩周、桩底饱和土体剪切模量的增加,桩顶动力阻抗曲线共振幅值水平均明显降低,且受桩周饱和土体剪切模量影响更为突出。     

黏弹性非饱和土中劲性复合桩纵向动力响应分析

劲性复合桩作为一种新型桩基,其动力响应分析具有重要的实际意义。基于弹性动力学理论和三相多孔介质模型,考虑劲性复合桩的特殊结构和非饱和土体骨架的非流动黏性特征,利用理论推导和参数分析,分析了分数阶黏弹性非饱和地基中劲性复合桩的纵向振动特性。首先,通过力学平衡推导,建立了劲性复合桩的纵向振动方程,并利用已有的非饱和土体运动控制方程描述桩周土体的动力响应,其中采用分数阶标准线性固体（fractional standard linear solid,简称FSLS）模型表征土体骨架的非流动（频率相关）黏性;然后,经过严格的理论推导,得到了劲性复合桩的桩顶动阻抗解析解答;最后,通过计算案例和参数敏感性分析,讨论了桩和土体参数对劲性复合桩的桩顶动阻抗的影响规律。结果表明：水泥土桩的横截面占比以及桩长的增大均会提高桩顶动阻抗;分数阶数和应变松弛时间的增大以及应力松弛时间的减小均有助于提高桩顶动阻抗;增大土体饱和度或减小土体固有渗透系数亦将提升桩顶动阻抗。     

考虑砂土地基预制桩侧向挤土影响的单桩承载力分析研究

预制桩的沉桩过程产生了对桩周土体的挤密作用,桩周土体的力学特性发生了相应的改变,这种改变会直接影响预制桩桩基础的承载力。利用有限元计算分析方法对砂性土地基预制桩沉桩过程进行了数值求解,得到了桩周土体的位移和应力变化规律;在应力路径控制的三轴试验中,模拟土体在受到预制桩沉桩影响的应力状态,试验研究了标准砂在再受荷载作用时的力学特性;在荷载传递法中,运用桩周土体性质的变化试验结果,进行了有限差分数值分析,得到了考虑和不考虑挤土作用的单桩P-S曲线。研究结果表明：预制桩的沉桩过程对桩周土中的径向和轴向应力都有明显的影响,对径向应力的影响大于对轴向应力的影响;挤土效应提高了桩周土的剪切模量值和强度,影响范围大致相当;考虑沉桩侧向挤土影响单桩承载特性有明显的提高,现行的预制桩设计偏于安全。     

地震序列作用下干砂与饱和砂地基动力响应离心模拟试验

海洋环境荷载复杂多变,海上构筑物基础周围土体作为主要承载体受地震作用的影响非常大。我国已建及拟建的沿海区域存在着大量饱和砂土层,相比于沙漠戈壁等干旱区域,基础周围土体的动力特性有极大不同。已有研究主要考虑单一地震作用下自由场土体力学性状演化,少有关注地震序列及地震历史对基础周围土体动力特性的影响。基于ZJU-400超重力振动台,开展了干砂地基和饱和砂地基离心模型试验,从离心模型尺度对比了两种地基中桩周土体在地震作用下的动力响应。研究发现,饱和地基的自振频率受地震历史的影响较明显,而干砂地基受其影响并不显著。桩-土强烈的相互作用会加速桩周土体超孔压发展。受地震历史效应的影响,土体剪胀特性逐渐加强;桩周超孔压的累积发展逐渐放缓,而消散速度却有所加快。在饱和地基中,桩周土体放大系数随着地震序列呈现明显的震荡增加现象,而在干砂地基中这种现象并不显著。采用反演方法发现,在整个施振过程中饱和砂地基桩周土体模量逐渐减小且不受剪应变关联的现象,揭示了其受超孔压的影响程度要大于剪应变的规律。     

地震序列作用下干砂与饱和砂地基动力响应离心模拟试验

海洋环境荷载复杂多变,海上构筑物基础周围土体作为主要承载体受地震作用的影响非常大。我国已建及拟建的沿海区域存在着大量饱和砂土层,相比于沙漠戈壁等干旱区域,基础周围土体的动力特性有极大不同。现有的研究主要考虑单一地震作用下自由场土体力学性状演化,少有关注地震序列及地震历史对基础周围土体动力特性的影响。本文基于ZJU-400超重力振动台,开展了干砂地基和饱和砂地基离心模型试验,从离心模型尺度对比了两种地基中桩周土体在地震作用下的动力响应。研究发现,饱和地基的自振频率受地震历史的影响较明显,而干砂地基受其影响并不显著。桩-土强烈的相互作用会加速桩周土体超孔压发展。受地震历史效应的影响,土体剪胀特性逐渐加强;桩周超孔压的累积发展逐渐放缓,而消散速度却有所加快。在饱和地基中,桩周土体放大系数随着地震序列呈现明显的震荡增加现象,而在干砂地基中这种现象并不显著。采用反演方法发现在整个施振过程中饱和砂地基桩周土体模量逐渐减小且不受剪应变关联的现象,揭示了其受超孔压的影响程度要大于剪应变的规律。     

加芯水泥土桩复合地基桩土应力比计算方法研究

桩土应力比是研究复合地基的一项重要参数,目前的研究对象主要为常规复合地基,如搅拌桩、碎石桩等,而针对加芯水泥土桩的计算方法研究鲜有报道。从土体、水泥土及复合桩体单元变形模式出发,综合考虑桩体负摩阻力、桩顶和桩端刺入持力层的情况,分析了桩周土体、水泥土桩及复合桩体的压缩变形,导出了刚性基础下加芯水泥土桩复合地基芯桩、水泥土桩与土体3者之间的应力比的计算公式。并分析了加芯水泥土桩芯桩直径、芯桩桩长及水泥土桩桩长对桩土应力比的影响,其主要影响表现在随着加芯水泥土桩芯桩直径和桩长及水泥土桩桩长的增加,桩土应力比np亦逐渐提高。工程实例表明,计算结果与实测值具有较好的一致性,说明该方法具有一定的工程实用性,可为工程实践提供指导。     

沉箱加桩复合基础地震响应离心试验

针对沉箱加桩复合基础地震响应问题开展动力离心试验研究。采用砂质粉土作为地基土,上部结构简化为质点和柱体,基础类型包括单桩、沉箱、沉箱加桩复合基础,利用层状剪切模型箱消除边界反射,以上海人工中波为输入波,在50 g离心加速度场下进行水平地震试验。根据基础形式的不同进行3组试验,试验结果表明：对于刚度较小的土,地震波向上传播过程中具有加速度衰减的特征;沉箱底部加桩对于降低基础和结构地震响应有积极的效果,有利于增强其抗震能力;地表、基础、结构的地震响应频率特性各不相同,这取决于其各自不同的自振特性;土与基础、基础与结构之间均会发生地震相互作用,但只有与相互作用对象自振频率均较接近的地震频域分量才能引起明显的相互作用。     

板-复合地基动力分析半解析元法

将复合地基视为横观各向同性材料,利用半解析数值方法的基本原理分析板-复合地基动力相互作用问题,克服有限元法中人为设定计算边界的弊端,提高了计算精度,并将三维问题转化为一维问题计算,显著减少了计算工作量。通过改变复合地基置换率、加固深度和桩土模量比,研究了板-复合地基体系动力特性的变化规律。计算结果表明,增大加固深度、置换率和桩土模量比对系统频率和振幅均有影响,并使频率有一定的提高,动力基础设计时,应注意复合地基置入对基础动力特性改变的影响。     

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。     

修正等应变假定下刚性桩复合地基固结特性分析

刚性桩复合地基固结特性是影响工程进度的重要因素。为研究外荷载作用下刚性桩复合地基固结特性，结合刚性桩和桩间土应力?应变特点对等应变假定进行修正。在此基础之上，考虑涂抹效应、桩间土和下卧层土体固结特性的影响，推导得到桩间土和下卧层土体固结微分方程。基于双层地基固结理论，考虑单级匀速施加荷载和附加应力沿深度变化等边界条件，推导得到其固结度解析解。最后，利用数值模拟方法对解析解进行验证，并对影响刚性桩复合地基固结特性的因素进行分析。结果表明：理论计算与数值模拟结果较为吻合；刚性桩复合地基固结速率受到贯入比影响较大，当贯入比较小时，与天然地基相比，其固结速率较小，贯入比较大且桩端阻力系数较小时，复合地基固结速率大于天然地基；随着贯入比、桩?土相对刚度和垫层?土体相对刚度的增大，复合地基整体固结速率加快；随着置换率的增大，复合地基整体固结速率降低。     

Numerical modelling of the effects of foundation scour on the response of a bridge pier

Foundation scour can have a detrimental effect on the performance of bridge piers, inducing a significant reduction of the lateral capacity of the footing and accumulation of permanent settlement and rotation. Although the hydraulic processes responsible for foundation scour are nowadays well known, predicting their mechanical consequences is still challenging. Indeed, its impact on the failure mechanisms developing around the foundation has not been fully investigated. In this paper, numerical simulations are performed to study the vertical and lateral response of a scoured bridge pier founded on a cylindrical caisson foundation embedded in a layer of dense sand. The sand stress–strain behaviour is reproduced by employing the Severn-Trent model. The constitutive model is firstly calibrated on a set of soil element tests, including drained and undrained monotonic triaxial tests and resonant column tests. The calibration procedure is implemented considering the stress and strain nonuniformities within the samples, by simulating the laboratory tests as boundary value problems. The numerical model is then validated against the results of centrifuge tests. The results of the simulations are in good agreement with the experimental results in terms of foundation capacity and settlement accumulation. Moreover, the model can predict the effects of local and general scour. The numerical analyses also highlight the impact of scouring on the failure mechanisms, revealing that the soil resistance depends on the hydraulic scenario.

     

层状地基-非线性结构系统地震响应特性分析

根据从系统能量导出的地震动力方程,采用渐近解析法对层状地基 非线性结构系统的地震响应进行了分析,给出了共振区的振幅-频率以及相位-频率的解析公式,并对地基参数的不同取值,给出了一系列相应的计算结果。进而根据计算结果分析了地基参数对结构地震响应特性的影响,讨论了共振区畸变、振幅的分叉和突变现象以及“路径”效应等非线性动力特性。分析结果表明,同一类别地基的参数变化对结构的动力特性有显著的影响,按现行抗震设计方法对层状地基 非结构系统进行抗震分析时,可能产生较大的偏差,需考虑相互作用和非线性特性,以使设计参数更合理和优化。     

列车激振荷载下PCC桩复合地基动力分析

PCC桩-网复合地基作为一种新型处理软土路基的结构形式,在软弱土地区高速铁路建设中已获得应用,其在列车激振荷载下的动力特性值得研究。本文确定了合理的列车动荷载加载形式,应用有限元软件ABAQUS建立了轨道-路堤-桩-土复合地基三维动力耦合有限元模型,基于基床、桩、垫层和地基模量参数变化,进行了路堤、桩体以及地基土的动力特性分析。结果表明：PCC桩复合地基动应力响应有别于实心桩,动应力波在管桩中发生反射交叠作用,桩与垫层动力相互作用大于土与垫层动力相互作用。基床表层模量变化对桩-土动力变化影响不大。垫层刚度的增加提高了桩体的动荷载分担比,同时桩顶动应力随着桩与垫层动力相互作用的增强而增大。随着PCC桩模量的提高,动应力在桩体中传播速度加快,动应力增大,使其承担了大部分动荷载,有效地降低了地基土承受的动荷载,同时减弱了上部荷载在复合地基内部影响。随着距离中心桩距离的增大,边桩动应力逐步减小。     

复合筒型风电基础单向流局部冲刷试验研究

复合筒型基础是一种新型的宽浅式海上风电基础,相对于桩基础等深基础,复合筒型基础周围地基的冲刷破坏对风机结构体系安全性的影响更加明显,因此,研究海流作用下复合筒型基础的冲刷特性很有必要。针对某工程实例,建设了冲刷试验场地,布置了典型测点,为复合筒型基础冲刷试验奠定了基础;采用系列比尺模型的方法,分别选取1:20、1:40、1:70三种比尺的模型,对海上风电复合筒型基础样机周围粉砂质海床的冲刷情况进行了试验研究;分析了各组试验冲刷平衡时间、模型周围冲刷坑的范围、最大冲刷深度,并且依据系列比尺模型试验原理计算出了实际工程中的冲刷深度。通过试验研究给出了实际工程复合筒型基础的最大冲刷深度,明确了单向流作用下复合筒型基础周围地基局部冲刷特性,填补了复合筒型基础冲刷试验研究的空白,为复合筒型基础的工程应用提供了指导。     

平面P波入射下浅埋平行双洞隧道注浆加固减震机制

地震动作用下小净距隧道双洞之间存在动力放大效应,依托某强震区小净距盾构隧道工程,基于傅里叶贝塞尔级数展开法,给出了平面P波垂直入射下地下半空间弹性介质中圆形双洞复合式衬砌洞室动应力解析解,深入研究了洞室间距、隧道全环注浆加固参数对衬砌动应力集中的影响。研究表明：洞室间距对衬砌的动应力有显著影响,随着洞室之间距离减小,左右洞室衬砌动应力明显放大;2.5倍洞径可以作为双洞洞室动力临界净距,当洞室间距小于2.5倍洞径时,应进行抗减震设计;注浆全环加固隧道周边土体,可以明显降低衬砌动应力,随着注浆加固区土体刚度增加,衬砌动应力幅值减小;结合工程实际,建议注浆加固区厚度取0.5倍的洞室半径值,加固区岩体和围岩剪切波速度之比取1.2。     

局部冲刷对风机支撑系统承载性能的影响

海上风力发电作为一种绿色能源越来越受到重视,单桩基础局部冲刷的研究受到广泛关注。建立了不同冲刷深度的海上风机系统模型,对各模型进行静力、动力分析。结果与前人冲刷模型试验吻合,随着桩基冲刷深度的增大,支撑系统的最大水平位移、最大水平应力和最大弯矩值逐渐增加。冲刷深度为两倍桩径时,最大水平位移、应力及弯矩分别比无冲刷条件下增加了3.61%、12.7%、10.3%。风机系统的自振频率随冲刷深度的增加而降低,高阶频率更易受影响。桩基冲刷对风机系统的动力特性有显著影响,塔顶水平位移时程曲线随冲刷深度不断上移。海上风机设计时必须考虑冲刷对支撑系统承载性能的影响。     

循环荷载下复合筒型基础地基孔隙水压力变化及液化分析

复合筒型基础是一种新型的宽浅式基础型式。在风、波浪、海流等动力荷载的作用下,复合筒型基础内外地基孔隙水压力的变化对结构安全产生影响。模拟了复合筒型基础受到的风浪流荷载,并将风浪流荷载合理叠加,采用三维有限元方法分析了风浪流联合作用下复合筒型基础地基动力响应规律。同时对复合筒型基础内外地基孔隙水压力的变化规律及液化范围进行了系统分析,通过分析发现：复合筒型基础附近海床液化深度随着饱和度、渗透系数、波浪周期、水深的增大而增大,随着泊松比的增大而减小。     

地震作用下复合地基-筏板-上部结构相互作用体系的动力弹塑性分析

基于复合地基-上部结构相互作用的静力分析已取得一定的研究成果,但其在动力荷载作用下,特别是地震作用下的动力响应却相当匮乏。首先借助有关试验通过ABAQUS和EERA的模拟分析,验证了基于Drucker-Prager屈服准则的弹塑性模型能较好地反映土体非线性动力特性以及采用有限元与无限元耦合的方法对土体无限边界的模拟。在此基础上,针对实际问题建立了刚性桩复合地基-筏板-上部结构体系整体有限元模型,对其进行动力弹塑性时程分析,并讨论了该复合地基与桩基对地震响应的差异。深入研究了不同强度地震作用下,刚性桩复合地基的工作机制,包括桩体、褥垫层、筏板的动力响应以及上部结构的地震反应和抗震性能。结果表明,小震时褥垫层基本没有减震效果,大震时复合地基的抗震性能优于桩基。地震越强烈,减震效果越明显,但作用有限,减震系数一般在0.8以上,可为工程实践提供参考。     

基于统一强度理论的灰土桩复合地基挤密影响区半径计算

灰土桩复合地基因桩体鼓胀变形使得桩间土体挤密,可以确定其挤密影响区范围,对评价地基加固效果有着十分重要的意义。采用统一强度理论,结合桩土变形协调条件,推导出复合地基沉降量与挤密影响区半径的关系式,并讨论不同b值、不同桩径d、不同深度条件下挤密影响区半径的变化趋势及影响特性。研究表明,挤密影响区半径随着地基深度的增加而减小,灰土桩最佳挤密深度范围为桩顶至1/3桩长深度之间;挤密影响区半径在1.51d～1.68d（d为桩径）之间,增大d可以有效扩大挤密影响区半径;应考虑中间主应力效应对岩土材料强度发挥的积极作用。     

Dynamic Response of Machine Foundation on Layered Soil: Cone Model Versus Experiments

This paper presents the experimental validation of analytical solution based on cone model for machine foundation vibration analysis on layered soil. Impedance functions for a rigid massless circular foundation resting on a two layered soil system subjected to vertical harmonic excitation are found using cone model. Linear hysteretic material damping is introduced using correspondence principle. The frequency-amplitude response of a massive foundation is then computed using impedance functions. To verify the solution field experiments are conducted in two different layered soil systems such as gravel layer over in situ soil and gravel layer over concrete slab (rigid base). A total 72 numbers of vertical vibration tests on square model footing were conducted using Lazan type mechanical oscillator, varying the influencing parameters such as depth of top layer, static weight of foundation and dynamic force level. The frequency-amplitude response in general and in particular the resonant frequencies and resonant amplitudes predicted by cone model is compared with the results of experimental investigation, which shows a close agreement. Thus the cone model is reliable in its application to machine foundation vibration on layered soil.