A new approach for vertical impedance in radially inhomogeneous soil layer

In the past studies on pile vibrations, the soil around the pile is mainly regarded as homogeneous or multi‐layered piecewise homogeneous. However, under most engineering conditions, the surrounding soil becomes seriously disturbed due to construction effects. This may strengthen or weaken the shear modulus of the soil resulting in the soil becoming radially inhomogeneous. As a consequence of this, El Naggar extended Novak's plane‐strain model to account for the radial inhomogeneity by the use of multiple springs connected in series. Rather than using this approach, this paper proposes a new model which is thought to be theoretically more rigorous and one which may be described as complex stiffness transfer model. It is shown that the solution developed in this study agrees well with the more limited solutions of Novak and Dotson and Veletsos under several special conditions. Finally, the scope of application has been enlarged as a result of the generalizations made in the present model. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

曹华峰，韦昌富 饱和局部非均匀土的孔隙水压力动态响应分析

饱和局部非均匀土在动载作用下力学响应的研究一直是动力学领域的难点,如何描述非均匀介质的局部结构,衡量其对宏观孔压产生和消散的影响,目前尚无成熟的理论模型和分析方法。基于有关局部非均质土波动理论的最新研究成果,建立能够描述局部结构对孔压增长和消散过程影响的动力学模型。针对周期荷载作用下的一维饱和岩土层,获得孔隙水压分布的解析解。分别以松弛时间和荷载频率为变量,定量地分析这两个参数对孔隙水压发展的影响趋势,并确定两者对孔压发展的敏感区间,以上述分析为基础,提出对应孔压极值时松弛时间和荷载频率的关系曲线。分析结论对非均匀饱和土动力学的理论研究和工程应用有一定价值。     

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。     

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。     

考虑试验阻尼效应的一种土体动力双型抛物线本构模型

针对土动力试验中土体反向卸载（或加载）曲线形状有时表现为先变化平缓后变化剧烈这一特征,基于土体实验结果的 和 曲线,建立了不规则荷载作用下可调的双型抛物线形式的本构曲线规则,阐述了A型和B型抛物线的函数表达式及实现过程。采用9种方法对试验阻尼比的模拟对比,表明所建立的加卸载准则尤其能准确拟合试验阻尼值,是对广义Masing准则的一种简化及实用化。由于调制因子 的可变性,它具有更强地模拟试验本构曲线形状的能力。针对台湾Lotung DHB钻井台阵试验场地,以等效线性化方法SHAKE91、LSSRLI-1,时域非线性方法DESRA-2、Pyke方法、非Masing准则模型1、“隐式应力阻尼等效”模型、“阻尼比退化系数”模型和非Masing准则模型2以及双型抛物线本构模型等9种方法（或模型）分别进行了非线性地震反应分析,并将结果与强震观测记录进行比较,结果表明,双型抛物线本构模型计算的复合加速度地震动的峰值大小、波形大小相对关系及后续波形,与实际地震记录较相一致,说明了模型的合理性以及实际工程应用的可行性。     

分层土中群桩水平动力阻抗的改进计算

采用动力Winkler地基梁模型,建立了主动桩和被动桩的简化解析运动方程,考虑地基土的分层特性、桩身剪切变形和转动惯量,提出了计算分层地基中单桩和群桩动力阻抗的改进计算方法,并与已有文献的计算结果进行了对比,结果表明：改进方法的计算结果与现场实测更接近。在低频段,改进方法的计算结果与已有文献结果较一致,但随着桩身剪切模量的减小,两者差异增大。差异主要是由考虑桩身剪切变形和转动惯量引起的,且前者影响较大,在低频段差异亦十分明显,而后者影响较小,在群桩阻抗峰值区域和高频段差异明显,需考虑桩身转动惯量的影响。     

An analytical continuum model for axially loaded end-bearing piles in inhomogeneous soil

An approximate static solution is derived for the elastic settlement and load-transfer mechanism in axially loaded end-bearing piles in inhomogeneous soil obeying a power law variation in shear modulus with depth. The proposed generalised formulation can handle different types of soil inhomogeneity by employing pertinent eigenexpansions of the dependent variables over the vertical coordinate, in the form of static soil “modes”, analogous to those used in structural dynamics. Contrary to available models for homogeneous soil, the associated Fourier coefficients are coupled, obtained as solutions to a set of simultaneous algebraic equations of equal rank to the number of modes considered. Closed-form solutions are derived for the (1) pile head stiffness; (2) pile settlement, axial stress, and side friction profiles leading to actual, depth-dependent Winkler moduli, (3) displacement and stress fields in the soil; and (4) average, depth-independent Winkler moduli to match pile head settlement. The predictive power of the model is verified via comparisons against finite element analyses. The applicability to inhomogeneous soil of an existing regression formula for the average Winkler modulus is explored.     

粉土循环累积应变和残余动模量的试验研究

粉土地基上建造的铁路或公路在交通荷载作用下易产生各种病害,导致基础设施不能正常工作。为研究交通循环荷载作用下粉土的累积变形和动力性能,针对钱塘江粉土开展一系列的循环三轴试验,探讨土体物理条件（相对压实度、含水率）和应力特征（频率、围压、动应力比）等对粉土累积轴向应变、动模量和阻尼比等的影响。试验结果表明,钱塘江粉土的临界动应力比约为0.11,当轴向动应力小于临界动应力时,粉土的动模量变化很小,相应的累积轴向应变也很小;当动应力超过临界动应力后,土样的动模量快速下降,残余动模量约为初始弹性模量的20%,同时,动模量和阻尼比随着累积轴向应变（或名义振次）的发展变化显著。粉土的动模量和阻尼比在归一化后可得到统一规律：在轴向应变（或名义振次）小于一定值时,动模量几乎不变,而后呈指数形式衰减,最终趋于稳定值;粉土阻尼比随着轴向应变（或名义振次）的发展呈指数关系增长。     

基于矢量匹配-劳斯法的群桩阻抗改进模型

采用薄层法算出群桩基础的频域阻抗,将群桩阻抗等效于一个单输入单输出系统,并表示为一个复数的频域传递函数。基于矢量匹配法（VF法）,通过对传递函数拟合得到任意分层地基的群桩阻抗函数的集总参数形式。采用VF法对整体频域拟合,可以得到多项分式分式阻抗形式,进而扩展成为Wu-Lee模型。结果表明,VF法拟合得到的动力柔度函数可以精确地匹配分层地基动力柔度函数,由于多项分式的形式可以直接扩展成为Wu-Lee集总参数模型,且数值稳定。对于高频阻抗拟合需要采用高阶数,进行劳斯（Routh）降阶,得到较好的效果。     

分级循环荷载作用下冻土动应变幅值的试验研究

通过低温动三轴试验,采用分级加载方式逐级施加动荷载,对不同加载频率、围压和负温条件下青藏冻结黏土和兰州黄土的动应变幅值变化特征进行了试验研究。结果表明,同一级荷载作用下,动应变幅值随振次的增加基本不变,可以采用平均值来反映各级加载下的动应变幅值;不同加载频率、围压和温度条件下,动应变幅值随动应力幅值的变化规律相同,即随着动应力幅值的增加,动应变幅值逐渐增大;动应变幅值随加载频率的增加而减小,但减小的速率逐渐降低,动应变幅值最终趋于一稳定值,对于青藏黏土和兰州黄土,该稳定值均随加载级数的增加而增加;随着围压的增加,青藏黏土的动应变幅值变化不大,而兰州黄土的动应变幅值呈逐渐减小的趋势;动应变幅值随温度的降低而减小。动应力幅值对动应变幅值的影响最大,动荷载振动频率的影响次之,温度的影响第三,围压的影响最小。     

Torsional dynamic response of a pile embedded in layered soil based on the fictitious soil pile model

The torsional dynamic response of a pile embedded in layered soil is investigated while considering the influence of the pile end soil. The finite soil layers under the end of the pile are modeled as a fictitious soil pile that has the same cross-sectional area as the pile and is in perfect contact with the pile end. To allow for variations of the modulus or cross-sectional area of the pile and soil, the soil surrounding and below the pile is vertically decomposed into finite layers. Using the Laplace transform and impedance function transfer method, the analytical solution for the dynamic response of the pile head in the frequency domain is then obtained, and the relevant semi-analytical solution in the time domain is derived using the inverse Fourier transform and convolution theorem. The rationality and accuracy of the solution is verified by comparing the torsional dynamic behavior of the pile calculated with the fictitious soil pile with those based on a rigid support model and a viscoelastic support model. Finally, a parametric study is conducted to investigate the influence of the properties and thickness of the pile end soil on the torsional dynamic response of the pile.     

非均匀饱和土中Love波的传播特性

基于Biot的横观各向同性饱和孔隙介质模型,考虑孔隙介质的非均匀性,导出了均匀饱和土半空间上非均匀饱和土层中Love波的复频散方程,并提出了复方程的迭代解法.以均匀弹性半空间上非均匀饱和土覆层为例,进行了数值计算,讨论了Love波的频散和衰减特性.     

土工格栅加筋砂土地基大模型动载试验研究

为了研究土工格栅加筋砂土地基在动力荷载作用下的受力变形特性,利用自行设计的300 cm×160 cm×200 cm（长×宽×高）大比例地基模型试验装置,分别针对纯砂地基、土工格栅加筋地基进行了静动荷载破坏试验。分析地基承载力及基础沉降、地基土压力、动力加速度响应、土工格栅应变等参数变化规律,揭示了动力荷载作用下加筋砂土地基的承载力和变形特征,并对比分析静、动荷载对加筋地基承载性能的影响。试验结果表明,与纯砂地基相比,格栅单层加筋地基的承载力提高1.12倍,地基基础中轴线处沉降量减少24%,加筋土体的抗变形能力得到很大提高;加筋作用改变了地基的破坏模式,动载作用下纯砂地基为冲剪破坏而加筋地基为整体剪切破坏;筋材的存在对地基土压力及加速度峰值分别有明显的扩散作用和衰减作用,可有效降低在动力载荷下筋土的瞬态变形。     

不饱和土动弹塑性本构模型研究

以饱和度与有效应力为状态变量,通过引入描述不饱和与饱和土孔隙比差的状态变量,将Zhang等提出的饱和土体应力诱导各向异性动弹塑性本构模型推广到不饱和土体中,使其可描述不饱和土在动力循环荷载作用下的力学特性行为。通过对已有不饱和土体在完全不排水条件下的动三轴试验进行理论模拟,验证了所提出不饱和土本构模型的正确性。最后基于所提出本构模型,讨论了在不排水条件下初始饱和度对不饱和土动力特性研究。结果表明,不饱和土在动力荷载作用下,土体的孔隙比将减少,导致饱和度增加;当初始饱和度较高时,不饱和土会转化为饱和土,从而发生液化现象。该研究成果对研究不饱和土在地震等动力荷载作用下的力学特性行为具有重要意义。     

Ramberg-Osgood土动力非线性模型在 ABAQUS软件上的开发及应用

基于ABAQUS有限元软件开发平台,对Ramberg-Osgood土动力非线性本构模型进行了修正。通过合理的假设得出了模型修正参数?、R的取值方法和算法。滞回曲线加卸载规律符合修正后的Masing准则。并进行了三维场地地震动非线性分析,分析了不同输入峰值的地震波对土体应力-应变关系的影响,并与一维场地动力分析Shaking程序的计算结果进行了比较。分析结果表明,非线性分析时的水平位移和相对位移要大于等效线性情况下的相应位移,这表明采用何种本构关系将影响到得到的场地的地震动反应结果,因此,在工程应用时需加以合理的选择,并对最终结果做出合理的判断     

基于硬化土模型的小应变本构模型研究

大量的工程现场监测结果表明,城市中强支护隧道施工过程中其周围大部分土体仍处于小应变状态,小应变情况下土体具有显著的高模量和非线性特性。土体小应变刚度特征和应力路径相关性是准确分析土与隧道相互作用的重要因素。虽然采用双刚度的硬化土模型(hardening soil model)能够基本反映应力路径的影响,但其卸载再加载模量并没有与应力-应变水平相关,不能模拟小应变情况下土体模量的高度非线性。为此,结合小应变刚度理论对硬化土模型的卸载再加载模量进行了改进,使之与应力-应变水平相关,并且考虑了土体卸载抗剪强度指标的变化以及侧向卸荷应力路径下不同的模量。通过与土体的应力路径试验结果进行对比,证明了模型的合理性。     

基于基质吸力的粘性路基土动回弹模量预估模型研究

为解决非饱和粘性路基土动回弹模量参数取值问题,采用滤纸法测定土样基质吸力,获取其土水特征曲线,并利用室内重复动三轴测试方法,进行了动态回弹模量测试,并探讨了动回弹模量的影响因素及其规律,进而在考虑含水量与基质吸力之间对应关系的基础上,集成创建了综合反映湿度状况(基质吸力)与应力状况(围压和循环偏应力)影响的粘性路基土新型动态回弹模量预估模型。研究结果表明,土水特征曲线Fredlund&Xing模型能够较好地关联非饱和粘性路基土基质吸力与湿度之间的相关关系;回弹模量测试值随围压、基质吸力和压实度的提高而增大,随循环偏应力和含水量的增大而减小。     

对土体动力黏塑性记忆型嵌套面模型的改进

在对土体动力黏塑性记忆型嵌套面本构模型已有的研究基础上,对该模型进行改进,不再对空间锥形屈服面变化时屈服面锥角 的变化规律作假定,按照土体在循环荷载作用下空间屈服面在子午平面上投影线的实际变化规律,建立屈服面硬化参数的增量表达式,完善了该模型的理论基础,为进一步对该模型的试验验证和改进提供了理论依据,并对比分析了分别使用改进后模型和改进前模型计算同一场地地震反应的计算结果。     

软土动力排水固结的室内模型试验研究

以广州国际会展中心一期工程动力排水固结软基处理项目为工程背景进行了室内模型试验,重点观察和分析了插设塑料排水板过程中、全部夯击过程中及夯击完成后饱和软黏土内的孔压响应。结果表明,塑料排水板插设完毕时刻与各个位置孔压达到峰值时刻不同步,孔压增长体现出滞后性特点。夯击过程中,离夯击点越近,其孔压增长越快,孔压增长幅度也越大,达一定夯击击数后浅部孔压增长趋于平缓,而深部处全部夯击完毕后其孔压依然继续增加,但各个位置孔压消散情况基本一致。     

湘南地区红黏土动态回弹模量试验与预估模型研究

湘南地区广泛分布红黏土,它具有天然含水率高、孔隙比大及结构性强等特点,可用于特殊路基填料。为获得红黏土的动态回弹性能,利用动三轴试验研究了偏应力、围压应力和体应力对红黏土动态回弹模量的影响。结果表明：动态回弹模量随围压和压实度的提高而增大,随偏应力的增大而减小;动态回弹模量受含水率影响较大,并在最佳含水率附近达到最大值。基于试验揭示的动态回弹模量与应力的相关性,采用3种应力相关的典型动态回弹模量预估模型对试验数据进行回归分析,进而遴选出最佳预估模型。误差分析表明,对于湘南地区红黏土,考虑偏应力和围压应力的回弹模量预估模型具有更高的决定系数,能更好地拟合红黏土的动态回弹模量。动态回弹模量试验结果和遴选的预估模型将为湘南地区红黏土路基设计提供试验和理论依据。