考虑挤土效应时楔形桩纵向振动阻抗研究

基于复刚度传递多圈层平面应变模型,研究考虑桩周土挤土效应时成层地基中楔形桩的纵向振动问题。首先根据桩周土体的纵向成层情况并考虑楔形桩的变截面特性,将桩土系统沿纵向划分为有限个微元段,对每个微元段的桩周土体建立复刚度传递多圈层平面应变模型,并通过剪切复刚度递推方法求得桩周土作用在桩身的剪切复刚度;然后将求得的剪切复刚度代入桩身纵向振动控制方程,运用Laplace变换技术和阻抗函数递推方法,推导得到考虑桩周土挤土效应时成层地基中楔形桩纵向振动时桩顶复阻抗的解析解;最后,采用参数研究方法在低频范围内分析挤土效应对桩顶复阻抗的影响及其规律。     

基于平面应变简化假定的桩扭转振动理论精度研究

利用拉普拉斯变换对考虑桩土耦合扭转振动条件下,桩顶受到任意激振扭矩作用的端承桩桩顶频域及时域响应进行解析求解,推导求得了桩顶位移、速度频域响应,桩顶复阻抗的解析表达式和半正弦脉冲激励作用下的桩顶时域响应半解析解;将本文所得理论解与基于平面应变假定的桩基扭转耦合振动的频域解和时域解进行了全面对比研究,具体比较范围涉及土层对桩的局部复阻抗、桩顶复频响应、速度导纳、桩顶复刚度和桩顶时域响应等方面,并得到若干重要结论。研究成果校核了平面应变假定在桩基扭转振动理论研究中的合理运用,为进一步了解桩土耦合振动的内在机理提供理论支持。     

成层粘弹性土中桩土耦合纵向振动时域响应研究

从三维轴对称角度出发,采用粘性阻尼粘弹性连续土介质模型,考虑桩土相互作用效应,对成层土中桩土纵向耦合振动时的桩顶时域响应进行了解析研究。求解时,首先建立定解问题,然后利用拉氏变换先对底部土层进行求解得到其振动位移形式解,然后利用桩土接触界面连续条件来考虑桩土耦合作用,分析底层土中桩段的动力反应,然后利用桩段阻抗函数的传递性,进行逐层递推求解,最终得到桩顶时域和频域响应的半解析解。通过参数影响分析和与工程实测曲线的对比,讨论分析了成层土中桩土耦合振动的响应特性,验证了本文解。基于本文研究可为桩基抗震、防震设计、桩基动力检测提供新的理论支持。     

广义Voigt土模型基于虚土桩法的桩基纵向振动

在桩侧土广义Voigt模型条件下,研究成层土中黏弹性桩在纵向振动荷载作用下的动力特性。将桩底截面范围内有限层桩底土模拟为虚土桩,建立虚土桩-土、桩-土耦合振动模型,采用广义Voigt体模型建立桩、虚土桩与桩侧土的纵向振动动力方程。利用桩-土、虚土桩-土的耦合接触条件求解动力方程,得到桩顶频域响应解析解和时域响应半解析解。通过对虚土桩参数的研究检验桩底土对桩顶动力响应的影响,得到一系列的桩顶速度导纳曲线及时域反射波曲线。     

通过群桩-土-偏心结构振动台试验分析群桩与地基的响应

通过对群桩-土-偏心结构相互作用体系振动台试验,分析了结构偏心效应对相互作用体系自振特性、地基振动和桩基变形的影响规律。试验结果表明:地基土的加入使得相互作用体系前两阶自振频率相差增大,平扭振动耦联程度降低,体系阻尼比明显增加;结构偏心效应增大了角桩的加速度响应,高出同深度边桩测点10～15%,桩身振动频率特性较场地土有明显差别;角桩变形幅度较边桩更为突出,桩长范围内角桩应变峰值始终大于边桩测点,两者相差在桩顶附近达到最大;桩间土承担了部分扭转效应,角桩较边桩应变增幅约为对应位置筏板位移增幅的一半;土的动力放大特性与以往研究规律相近,结构偏心效应对地基整体振动产生的影响不很明显;桩土界面动力响应与筏板平动位移时程相对应,且随深度的增加而逐步增大。     

风浪荷载作用下扩底桩基础桩周土应力特征分析

扩底桩基础在承受水平风浪荷载时,基础周围的地基土表现出复杂的应力变化特性。基于有限元程序ABAQUS,针对近海风机单桩基础受力特点,分别建立扩底桩和等直径桩的有限元模型,着重分析扩底桩受风浪荷载时桩周土的应力特征,并对扩底桩和等直径桩桩周土的应力主轴旋转角度规律进行对比分析。结果表明:扩底桩在承受风浪荷载时,上部桩桩周土偏应力和主应力方向角的变化较为明显,扩底段部分桩周土受动荷载的影响较中段更为明显;随着桩周土与扩底桩距离的增加,桩周土主应力方向角旋转幅值逐渐减小,直到减小为一个较为稳定的值;扩底桩桩周土与等直径桩桩周土的主应力方向角旋转幅值变化规律有所不同。     

微型桩动力p-y曲线影响因素参数分析

本文通过微型桩振动台试验分析了输入波频率、桩顶质量和加速度峰值对砂土中微型桩动力p-y曲线的影响。结果表明:当输入波的频率为低频时,桩侧土压力p与桩身位移y的关系接近线性关系,形成的滞回环面积很小;当输入波频率较大时,桩侧土压力p与桩身位移y成明显非线性关系,形成的滞回环面积较大。随着桩顶质量和加速度峰值的增加,p-y曲线的滞回环呈逐渐张开的趋向,其耗能效应增加。     

近海复杂环境下的H-M-T受荷桩内力位移分析

为探讨近海复杂恶劣环境（台风超强风力、车辆冲击力或地震产生的复杂力等）下水平力H、弯矩M及扭矩T共同作用时的基桩桩身内力变形特性,基于传统有限杆单元法思想,获得了H-M-T受荷桩的基本单元刚度矩阵。然后,基于m法考虑桩周地基土的侧向约束作用,并计入H-M-T耦合效应,采用凝聚方法导得了具有简洁统一形式的桩身杆单元刚度矩阵,由此建立水平力、弯矩和扭矩组合作用下的桩身内力位移有限杆单元法计算模型,进而采用MATLAB编制出相应的分析计算程序。最后,结合近海工程算例进行了分析。结果表明：1文中提出的改进有限杆单元法能考虑桩周地基土的分层特性、不同边界条件及H-M-T的耦合效应;2相比单一考虑水平受荷,扭矩的存在加大了桩身的位移和内力;3H-M-T复杂受荷模式下,荷载传递存在有效传递深度,当相对深度z/L超过0.5后,桩身弯矩和剪力趋近于零,而扭矩显著减小。     

单桩-土-结构振动台试验模型数值计算分析

为研究地震荷载作用下桩基-土-核电结构的抗震性能及土结动力反应规律,对拟开展的地震模拟振动试验模型进行数值计算分析。核电工程结构上部质量大和刚度大,试验模型不同于一般的工程结构,为检验振动台试验模型设计、传感器布设方案,对试验模型进行了数值模拟。数值模拟以单端承桩为研究对象,计算了上部结构质量和刚度变化时,在脉冲荷载及基于RG1.60谱人工合成地震动作用下桩身的地震反应规律。数值模拟表明:在水平地震动作用下,桩身剪力和弯矩包络线呈"X"状分布,桩底和顶处剪力弯矩较大;上部结构质量越大,桩身的剪力与弯矩越大;上部结构的刚度越大,桩身的剪力与弯矩越小;随着上部结构质量的增大和刚度的减小,反弯点逐渐向桩顶移动。桩顶发生最大位移时所对应的桩身挠度随着上部结构质量的增加而增大并且随着上部结构刚度的增大而减小。土层分界面处,桩身内力发生突变。此外,在脉冲荷载输入下,桩身反弯点位置与输入荷载的周期有关。计算结果为振动台试验模型设计提供了理论依据。     

大直径钢管桩土塞效应的拟静力判断方法

钢管桩在贯入过程中土塞效应的正确判断对打桩阻力及承载力的预测有重要影响,常用的静力平衡土塞效应判断方法主要适用于小直径钢管桩。随着海洋平台工作水深的不断增加及海上风电工程的建设,直径大于2m的大直径钢管桩被广泛采用,管桩直径的增加改变了桩管内土体的受力与变形特征。通过数值模拟方法获得砂土中不同径长比的钢管桩在打桩过程中桩周土体的破坏模式,确定采用梅耶霍夫公式计算打桩过程中桩端土体阻力,同时分析锤击惯性力对桩管内土塞的影响,提出采用拟静力平衡法判断大直径钢管桩的土塞闭塞效应。开展不同径长比管桩的室内小比尺打桩模型试验,并对实际工程中的土塞闭塞效应进行判断,验证拟静力平衡法对判断大直径钢管桩土塞效应的适用性。     

柔性承台板与群桩的竖向动力作用

采用动力文克尔地基模型模拟均质粘弹性土层,推导出了均质土中单桩动阻抗;引用桩-桩动力相互作用因子,得到了刚性承台下群桩的动阻抗;而且建立了柔性承台与桩基础的竖向振动模型,该模型考虑了筏板自身的变形,并导出了其共同作用的运动方程。最后对柔性承台与刚性承台的计算结果作了对比分析。     

桩土界面力学行为对桩基动力特性的影响

结合构建的饱和土结构性动力本构模型以及通用有限元程序,以城市高架桥梁建设中常采用的单柱墩基础为原型,建立了摩擦桩-土-结构体系、端承桩-土-结构体系的有限元-无限元计算模型。分完全粘结、滑移无开裂、开裂无滑移、开裂滑移四种情况考察了桩土界面力学行为对两种系统动力反应特性的影响,得出如下结论:无论是端承桩还是摩擦桩,界面力学行为对桩截面的剪应力和桩身水平位移分布形态影响均不大。四种情况中,完全粘结时,摩擦桩在近地表处桩截面剪应力值最大,开裂滑移时最小,而端承桩则刚好相反。水平位移分布均可分为线性增大和加速非线性增大两个阶段,以近地表处为分界点,且均以开裂滑移时最大,完全粘结时最小。界面力学行为极大地改变了端承桩桩身加速度时程的分布形态,但对摩擦桩则几乎没有改变;对于不同界面力学行为,两种桩型在近地表处均出现加速度峰值,完全粘结时值最大,开裂滑移时最小。相比摩擦桩而言,界面力学行为对端承桩的影响要大的多,研究分析时应引起足够的重视。     

水平荷载作用下PCC桩群桩效应数值分析

采用三维弹塑性有限元方法,研究了PCC桩群桩在水平荷载作用下的工作性状。比较了PCC桩群桩和等截面实心圆形桩群桩的水平承载力和群桩效率,得到了PCC桩纵、横向群桩效应的临界桩距;分析了桩距、桩数、桩顶约束条件对PCC桩群桩效率的影响。研究表明,PCC单桩和群桩的水平承载力都较等截面实心圆桩大;PCC桩纵、横向群桩效应的临界桩距分别约为外径的7.4倍和2.8倍;桩距愈小、桩数愈多,PCC桩群桩效率愈小,当设计桩距小于临界桩距时,应考虑群桩效应;PCC桩桩顶固接或铰接时,弯矩分布和承载力差异较大,设计中可以通过改变桩顶的约束条件来协调桩身受力性状。     

钻孔灌注桩的超声波透射法检测

大直径超长桩的桩身混凝土质量检测一直是困扰工程界的一个难题。本文提出和探讨了大直径超长桩桩身混凝土质量的超声波透射检测方法、技术及可靠程度。工程实践证明采用超声波透射法对大直径超长桩检测，其检测精度高，结果直观可靠，可以较详细查明桩身内部缺陷的性质、深度位置、范围大小及严重程度，为控制大直径超长桩桩身混凝土质量提供了一种有效的检测方法。     

均匀黏弹性地基中现浇X形桩低应变动测响应数值模拟

建立现浇X形桩(XCC桩)桩-土体系三维有限元模型,对XCC桩低应变检测动力响应进行数值模拟,得到完整桩和缺陷桩的桩顶速度响应结果,并分析完整桩及缺陷XCC桩桩顶速度响应特性及规律。计算结果表明:XCC桩低应变瞬态动测时桩顶速度响应存在明显的三维效应,桩心(激振点)附近点的入射波峰值较大,且到达时间较早;距离桩心越远点的入射波峰到达时间越滞后,入射波峰值从桩心到尖角边界先减小后增大。桩顶距桩心距离相同的环向上各点的入射波和反射波区别不大,而各点所受的高频干扰情况并不相同。变模量桩的入射波和完整桩相同,反射波峰值较完整桩小,反射波峰对应时间较完整桩滞后。局部缺陷桩桩顶距桩心距离相同环向各点的第一个缺陷反射波有微小差别,而第二个缺陷反射波有较大差别。     

成层土中桩土耦合扭转振动特性理论研究

假设桩周土层为成层黏弹性体,土体材料阻尼为黏性阻尼,从三维轴对称角度出发,对任意激振扭矩作用下,成层土中完整桩与土扭转耦合振动时的桩顶振动特性进行了理论研究.首先建立定解问题,然后利用拉氏变换求解得到其振动角位移的形式解,并利用桩土接触界面处的连续条件来考虑桩土耦合作用,使用桩段阻抗函数的传递性进行逐层递推求解,最终得到桩顶频域和时域响应的理论解.通过参数影响分析研究发现,成层土中桩顶复刚度主要受上部土层动力特性及性质影响;随着上层土模量增大桩顶复刚度的刚度部分也相应增大,阻尼部分相应减小.成层土由于土层模量变化,桩的导纳曲线有大峰夹小峰循环的特征.当上层土模量大于下层土模量时,在土层分界面时域波形与初始脉冲反向,反之则同向,土模量突变导致的时域波形的特征反射较平缓,幅度不大.     

均匀土-桩基-结构相互作用体系的计算分析

本文以结构－地基动力相互作用振动台模型试验为基础，结合通用有限元软件ANSYS，对均匀土－桩基－结构动力相互作用体系进行了三维有限元分析。计算中土体采用等效线性模型，利用面－面接触单元考虑土体与结构交界面的状态非线性，计算与试验得出的规律基本一致。桩基与土体间发生了脱开再闭合和滑移现象。桩身应变幅值分布呈桩顶大、桩尖小的倒三角分布，角桩的应变幅值较大，边排中桩和中桩的应变幅值较小。桩土接触压力幅值呈桩顶小、桩尖大的三角形分布。在沿振动方向的三排桩中，边排桩的滑移比中排桩的滑移量大。通过计算分析与试验的对照研究，验证了采用的计算模型与分析方法的合理性，为结构－地基相互作用的进一步研究奠定了基础。     

桩-土-结构动力相互作用的线弹性地震反应分析

采用集中质量法(简化模型)，用ANSYS软件作为桩—土—结构动力相互作用分析的工具，建立了小震下钢筋混凝土剪切型结构考虑桩—土—结构动力相互作用效应的计算模型，进行了桩—土—结构相互作用线性体系的模态分析，研究了考虑桩—土—结构相互作用体系的自振特性；进行了小展下桩—土—结构相互作用体系弹性地震反应时程分析，研究了土—结构动力相互作用效应对结构地震反应的影响；得出如下结论；考虑桩—土—结构相互作用效应后，结构体系的自振特性及结构的地震反应将有所改变。     

插桩过程对临近平台桩基础的影响研究

由于大型自升式钻井船的插桩位置通常距离海上钻井与采油平台较近,桩靴的插入过程可能会对临近平台的桩基础承载力和稳定性产生不利影响。以实际工程为背景,运用球孔扩张理论推导挤土效应产生的水平附加应力大小及其范围;提出一种近似考虑动力挤土效应的拟静力数值模拟方法,分析桩靴下沉到不同深度处时的桩基承载力、桩身应力和最大水平位移,并与静力分析结果进行对比。研究表明,桩靴插入过程对周围土体产生巨大的挤压和扰动作用,使得桩基承载力降低,桩身应力变大,最大水平位移增加;与静力法计算数值相比,由挤土效应导致的单桩承载力下降6%~8%,桩身应力增大30%~80%,桩身最大变形量增长1倍。     

强震作用下桩-土-断层非线性动力相互作用特性

为研究强震区跨断层桥梁桩基非线性动力相互作用特性,依托海文大桥实体工程,利用MIDAS/GTS有限元软件,建立了桩-土-断层相互作用模型,分析0.20~0.60g地震动强度下断层上下盘桩基加速度响应、桩顶水平位移、桩身弯矩以及桩身剪力响应情况。结果表明:覆盖层土体对桩身加速度放大作用明显,且随着输入地震动强度的增大,放大作用逐渐减弱;覆盖层对地震波的滤波作用显著,随着输入地震动强度的增大,滤波作用逐渐减弱;上盘桩基达到桩顶峰值加速度的时刻滞后于下盘;随着输入地震动强度的增大,上、下盘桩的桩顶产生的永久位移和水平位移峰值逐渐变大,上盘桩顶产生的永久位移和桩顶峰值位移均大于下盘,产生显著的"上盘效应";不同强度地震动作用下,断层上、下盘桩基弯矩均在上部土层界面处达到峰值,剪力均在基岩面处达到峰值,下盘桩基弯矩和剪力峰值大于上盘桩基,呈现出显著的"下盘效应"。在桥梁桩基抗震设计时,应着重考虑断层上、下盘桩基的差异和不同强度地震作用对桩基承载特性的影响。