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。     

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。     

黏弹性地基中管桩水平动力特性分析

从土体三维波动方程出发,将管桩看作一维欧拉-伯努利梁,对黏弹性地基中管桩水平振动响应进行了理论研究。摒弃传统的设立势函数法,而采用微分变换直接对土体振动方程进行解耦,并结合分离变量法求得了桩周土和桩芯土位移和应力表达式,进而利用管桩与桩周土和桩芯土接触界面的耦合连续条件得到桩的位移解析解,给出了管桩桩顶水平动力复阻抗表达式。将所得解完全退化到实心桩解,并与现有文献进行对比,验证了所提方法的合理性。通过参数分析,研究了桩周土、桩芯土剪切模量和密度以及管桩桩长对管桩桩顶复阻抗的影响。     

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     

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。     

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。     

具有球形空腔饱和土分数导数 黏弹性土的动力特性

将土骨架视为具有分数阶导数本构关系的黏弹性体,基于Biot两相饱和介质模型,建立具有球形空腔饱和分数导数黏弹性土体稳态振动的控制方程。通过引入势函数,得到球对称情形下具有球形空腔饱和分数导数黏弹性土体的位移、应力和孔隙流体压力等解析表达式。考察分数导数模型参数和饱和土参数等对土体振动特性的影响,结果表明,流体压缩性对饱和土体的动力特性有显著影响,而土骨架压缩性和流-固耦合系数的影响相对较小;分数导数阶数对土体动力特性的影响与材料参数比的取值有关。同时,边界不排水条件下饱和土体的动力响应大于排水条件下饱和土体的动力响应。     

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。     

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。     

Lateral dynamic response of a pipe pile in saturated soil layer

This paper presents an analytical solution for the lateral dynamic response of a pipe pile in a saturated soil layer. The wave propagations in the saturated soil and the pipe pile are simulated by Biot's three‐dimensional poroelastic theory and one‐dimensional elastic theory, respectively. The governing equations of soil are solved directly without introducing potential functions. The displacement response and dynamic impedances of the pipe pile are obtained based on the continuous conditions between the pipe pile and both the outer and inner soil. A comparison with an existing solution is performed to verify the proposed solution. Selected numerical results for the lateral dynamic responses and impedances of the pipe pile are presented to reveal the lateral vibration characteristics of the pile‐soil system. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Torsional dynamic response of a large‐diameter pipe pile in viscoelastic saturated soil

An analytical solution is developed in this paper to investigate the dynamic response of a large‐diameter end‐bearing pipe pile subjected to torsional loading in viscoelastic saturated soil. The wave propagation in saturated soil and pile are simulated by Biot's two‐phased linear theory and one‐dimensional elastic theory, respectively. The dynamic equilibrium equations of the outer soil, inner soil, and pile are established. The solutions for the outer and inner soils in frequency domain are obtained by Laplace transform technique and the separation of variables method. Then, the dynamic response of the pile is obtained on the basis of the perfect contacts between the pile and the outer soil as well as the inner soil. The results in this paper are compared with that of a solid pile in elastic saturated soil to verify the validity of the solution. Furthermore, the solution in this paper is compared with the classic plane strain solution to verify the solution further and check the accuracy of the plane strain solution. Numerical results are presented to analyze the vibration characteristics and illustrate the effect of the soil parameters and the geometry size of the pile on the complex impedance and velocity admittance of the pile head. Finally, the displacement of the soil at different depth and frequency is analyzed. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

轴对称均匀黏弹性地基中现浇薄壁管桩竖向动力响应简化解析方法

考虑土体材料的黏性阻尼和桩-土纵向耦合振动,建立了轴对称均匀黏弹性地基中现浇薄壁管桩管桩纵向振动的定解问题,采用Laplace变换的方法求得了解析解。对一算例进行了分析,将计算结果与实测波形和有限元进行了对比,三者吻合较好。进一步分析了桩周土和桩芯土黏性阻尼系数对桩顶速度导纳和复动刚度的影响以及桩底土阻尼系数对桩顶速度导纳的影响,得到了各参数对桩纵向振动特性影响的规律     

非线性粘弹性基桩纵向混沌运动

研究了在给定桩顶轴向动位移条件下非线性粘弹性嵌岩桩纵向振动的混沌运动。假定基桩材料满足非线性弹性和微分型线性粘弹性本构关系、桩周土反力及阻尼分别与位移及速率成正比,得到基桩的运动方程为非线性偏微分方程。利用Galerkin方法将方程简化,并对简化后的系统进行了数值模拟计算,得到了土反力、土阻尼、桩身阻尼比较大、比较小和很小等情形下不同参数时基桩运动的时程曲线、相平面图、功率谱图、Poincare截面及分岔图等。结果表明纵向振动的非线性粘弹性桩可以呈现周期运动、准周期运动、分岔或混沌运动。     

Vertical impedance of an end‐bearing pile in viscoelastic soil

This paper presents a new method to derive the analytical solution for the vertical impedance of an end‐bearing pile in viscoelastic soil. The soil is assumed as a homogeneous and isotropic layer, and the pile is considered as a one‐dimensional Euler rod. Considering both the vertical and radial displacements of soil and soil–pile coupled vibration, the governing equations of the soil and pile are established. The volumetric strain of soil is obtained by transformation on the equations of soil and variable separation method. Then the vertical and radial displacements of soil are obtained accordingly. The displacement response and impedance function of pile are derived based on the continuity assumption of the displacement and stress between the pile and soil. The solution is verified by being compared with an existing solution obtained by introducing potential functions. Furthermore, a comparison with two other simplified solutions is conducted. Numerical examples are presented to analyze the vibration characteristics of the pile. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。