横观各向同性地基中管桩扭转振动响应解析解

考虑地基沉积过程中产生的竖向和水平向力学性质的差异,对横观各向同性地基中管桩扭转振动频域响应进行了理论研究。基于横观各向同性材料的本构关系以及桩-土耦合扭转振动,建立了桩土系统定解问题,通过Laplace变换和分离变量法求得了桩周土和桩芯土扭转振动位移形式解。通过桩-土接触面的连续条件,求得了管桩扭转频域响应解析解,并得到了桩顶复动刚度和速度导纳的表达式。将所得解退化到横观各向同性地基中实心桩解以及均匀地基中管桩解,并与已有文献进行了对比,验证了解的合理性。通过数值算例,分析了桩周土和桩芯土的横观各向同性力学参数对桩顶扭转复刚度及速度导纳的影响。     

不同振动波形对单桩桩-筏复合地基动力响应特性研究

桩-筏复合地基是控制高速铁路等路基工后沉降的一种常用地基处理技术,然而针对其在不同振动波形荷载下的动力响应特性对比研究相对较少。基于大型模型系统,开展砂土地基中单桩桩-筏复合地基大比例模型试验研究,着重分析不同振动波形加载下单桩桩-筏复合地基的累积沉降、桩底-桩侧土动土应力比、加速度及速度传递等变化规律,初步探讨振动波形对单桩桩-筏复合地基承载特性的影响机制。试验结果表明,M波振动波形对地基累积沉降的影响较正弦波振动波形对地基累积沉降的影响略大一些,对桩底-桩侧土动应力比的影响则反之;振动响应加速度和速度随着加载频率及振幅幅值的增大而增大。相关研究成果可为单桩桩-筏复合地基的理论分析与计算提供参考依据。     

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     

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。     

下卧基岩饱和地基中埋置刚性基础的竖向振动问题研究

基于Biot提出的饱和土波动方程,研究了埋置于单层饱和地基中的有质量的刚性圆柱基础的竖向振动问题。运用Hankel积分变换求解饱和土基本动力方程,并考虑基础与地基接触面的混合边值条件,求得了基础底面和基础侧面的动反力,结合基础振动的动力平衡方程,得到了基础竖向振动振幅和地基等效动力刚度的表达式。数值分析结果表明：下卧基岩饱和地基的等效动力刚度和基础振动振幅都呈现出明显的波动现象,土层厚度、基础埋深比、基础质量比对埋置基础的竖向振动有很大影响。     

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。     

循环荷载作用下水泥土桩复合地基模型试验研究

设计并完成了循环荷载作用下水泥土桩复合地基的模型试验。对水泥土桩复合地基的竖向附加应力、桩土应力比、孔隙水压力及沉降等问题进行了研究讨论。结果表明,（1）水泥土桩加固饱和软基后发生了应力重分布;（2）循环荷载作用下复合地基桩土应力比受加荷周数、循环应力比和置换率等因素的影响较显著;（3）水泥土桩加固饱和软基降低了孔压值,减小了由于孔隙水压力的消散而产生的工后沉降;（4）水泥土桩复合地基在循环荷载作用下桩顶和桩间土变形并不协调,桩顶永久沉降小于桩间土永久沉降,且加荷周数越大这种趋势越显著。     

饱和黏弹性地基土中管桩纵向振动研究

用解析方法在频率域内研究考虑质量耦合效应的饱和黏弹性地基土中管桩的纵向振动特性。基于Biot理论,采用薄层法,推导得到饱和黏弹性地基土的位移、应力等的表达式。将管桩等效为一维弹性杆件处理。根据界面连续性条件,给出饱和黏弹性地基土中管桩的纵向振动一般分析方法和桩顶动力复刚度的表达式。在该基础上,对比分析饱和地基土中实心桩和管桩纵向振动特性。通过算例分析,考察桩周土和桩芯土的力学参数对桩顶刚度因子和等效阻尼的影响。研究表明,饱和黏弹性地基土中实心桩和管桩的纵向振动有明显的差异。     

基于一维和三维固结挤土桩沉降时效计算分析

饱和软黏土地基中的挤土桩,施工引起的桩侧土体超孔隙水压力消散和竖向荷载引起的桩底土体固结是导致其沉降的主要因素。基于三维固结理论,研究了桩侧地基土再固结沉降的变化规律,并从桩-土相互作用的原理出发,结合边界条件,推导出了在桩侧地基土再固结沉降的作用下挤土桩沉降的计算公式。运用太沙基一维固结理论并采用分层总和法计算竖向荷载作用下桩底土体的沉降。提出了饱和软土中挤土桩沉降时效的计算方法。并对工程实例进行了计算分析,其结果符合工程实际沉降规律。     

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。     

横观各向同性饱和地基竖向振动的衰减特性

基于提出的横观各向同性饱和多孔介质Biot波动方程的一般解,研究了饱和半空间地基在竖向点源简谐激振荷载作用下地表振动的衰减特征,分析了激振频率以及横观各向同性饱和土介质的各向异性参数和孔隙渗透系数对地表振动特征的影响。计算结果表明,低频和高频激振时,地表位移衰减特性存在明显差异;在饱和土的各向异性参数中,纵向和水平方向动态渗透系数比值和刚度系数比值对地表位移衰减影响最大,这也说明采用各向同性饱和介质的动力学模型不能准确地描述具有明显各向异性特性的饱和土地基的动力特性。     

Comparison of dynamic stiffnesses of rigid square and rectangular foundations by DBEM and IBEM

In this work, the Direct and Indirect Boundary Element Methods as applied to dynamic soil structure interaction problems, are compared. Both the methods are used to find the dynamic stiffnesses of rigid surface and embedded foundations. For surface foundations, the results obtained by the two methods were very close for the frequency range considered, but for embedded foundations at higher frequencies, the Indirect Boundary Element Method produced erroneous values for the real part of vertical compliance. The possible reasons for this discrepancy are also studied in this paper.     

Vertical vibration of an elastic strip footing on saturated soil

Based on Biot's dynamic coupled equations, the vertical vibration of an elastic strip footing on the surface of saturated soil is studied. Utilizing the Fourier transform, the governing dynamic differential equations for saturated poroelastic medium are solved. Considering the mixed boundary value conditions at the bottom of the foundation, a pair of dual integral equations about the vertical vibration of an elastic strip footing is derived, which can be converted to a set of linear equations by means of infinite series of orthogonal functions. The relation between the dynamic compliance coefficients and the dimensionless frequency tends to be gentle with decreasing footing rigidity, while the dimensionless frequency has only small effect on the dynamic compliance coefficients. When the dynamic permeability is large, its effect on the dynamic compliance coefficients should be taken into consideration. Furthermore, the dynamic compliance coefficients are found to be not sensitive to Poisson's ratio of the soil for footing on saturated soil. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

群桩基础引发饱和地基振动的近似解析解

建立了饱和半空间-群桩基础耦合动力近似解析模型,其中基桩考虑为欧拉梁,饱和地基采用Biot两相介质动力控制方程,二者在频率-波数域中利用桩-土相互作用点处的饱和地基柔度矩阵进行耦合,并采用快速傅里叶逆变换获得频域解答。分析了饱和地基中群桩基础的动力阻抗及刚性承台上施加简谐振动荷载时群桩基础引起的饱和地基振动响应。研究结果表明,荷载类型、激振频率以及地基渗透系数对饱和地基位移和孔压响应有明显影响。特别的,群桩基础动力阻抗峰值频率会随着地基渗透系数的增加而增大。     

Assessment of the dynamic behaviour of saturated soil subjected to cyclic loading from offshore monopile wind turbine foundations

The fatigue life of offshore wind turbines strongly depends on the dynamic behaviour of the structures including the underlying soil. To diminish dynamic amplification and avoid resonance, the eigenfrequency related to the lowest eigenmode of the wind turbine should not coalesce with excitation frequencies related to strong wind, wave and ice loading. Typically, lateral response of monopile foundations is analysed using a beam on a nonlinear Winkler foundation model with soil–pile interaction recommended by the design regulations. However, as it will be shown in this paper, the guideline approaches consequently underestimate the eigenfrequency compared to full-scale measurements. This discrepancy leads the authors to investigate the influence of pore water pressure by utilising a numerical approach and consider the soil medium as a two-phase system consisting of a solid skeleton and a single pore fluid. In the paper, free vibration tests are analysed to evaluate the eigenfrequencies of offshore monopile wind turbine foundations. Since the stiffness of foundation and subsoil strongly affects the modal parameters, the stiffness of saturated soil due to pore water flow generated by cyclic motion of monopiles is investigated using the concept of a Kelvin model. It is found that the permeability of the subsoil has strong influence on the stiffness of the wind turbine that may to some extent explain deviations between experimental and computational eigenfrequencies.     

Analytical solution for two-dimensional dynamic consolidation in frequency domain

An analytical solution to the two-dimensional wave propagation in fluid-saturated half-space subjected to a strip load with vertical harmonic oscillation at the surface is presented. The basic equations have been derived on the basis of Biot's linear theory of poro-elasticity and then solved using Fourier complex transform for the horizontal direction. The importance of a number of soil characteristics including compressibility, degree of saturation and soil permeability has been examined. It is shown that the effect of pore fluid is dominant only for fully saturated soils with incompressible solid grains and low permeability. For partially saturated, compressible or very permeable soils, the stresses would be mainly transferred to solid part and there will be considerable reduction in pore pressure amplitude.     

土石比对碎石土强夯地基加固效果影响规律瑞利波检测分析

为了探讨土石比及大粒径块石对碎块石土强夯加固效果的影响规律,对3组不同土石比条件下碎块石土强夯地基的瑞利波检测数据进行了对比分析。夯后波速曲线具有明显的突变性,并随着土石比的减小其突变程度增强,突变段与大粒径块石有较好的对应性。波速增加比例曲线具有垂直分区特征,土石比对强夯加固区厚度影响较大。大块石对周边土体存在较强的扰动作用,夯后波速曲线往往表现为突然锐减,特别是当其位于夯后场地表层或较多大块石距离较近时表现更加明显。当大块石位于强加密区内时,加固深度随着大块石埋深增加而减小,且其埋深越靠近波速增加峰值点时加固深度越浅。研究成果对碎块石填土强夯地基的设计和施工具有参考价值。     

下荆江二元结构河岸土体特性及崩岸机理

三峡水库蓄水后下荆江河段河床冲刷下切, 局部河段崩岸险情频繁发生。为研究下荆江二元结构河岸的土体特性及崩岸机理,结合近期该河段崩岸情况,现场查勘了6个崩岸点,并对河岸土体进行了室内土工试验。试验结果表明下荆江河岸土体的垂向组成具有典型的二元结构特征:下部非粘性土（沙土）层较厚,上部粘性土（低液限粘土）层较薄且松散。以河岸崩塌过程分析为基础,提出了二元结构河岸发生绕轴崩塌时上部土层稳定性的计算方法。结合近岸水动力条件计算及土工试验结果,定量分析了二元结构河岸的崩塌机理及其影响因素:① 下部沙土层的起动流速比近岸流速小得多,故该土层容易受水流冲刷;②上部粘性土层崩塌前抗冲强度很大,但多为低液限粘土且相对松散,崩塌后堆积在岸边容易分解并被水流带走;③ 河岸稳定安全系数在一个水文年内呈周期性变化,落水期安全系数最小,故容易引发崩岸,该计算结果与近期崩岸实际统计结果一致。     

平面P1波斜入射下海底洞室地震响应解析分析

基于无黏性可压缩理想流体介质波动理论和Biot流体饱和多孔介质波动理论,考虑水下饱和土的流固耦合,借助Hankel函数积分变换法(HFITM)给出入射平面P1波在海底洞室周围散射问题的解析解。相比传统研究中的"大圆弧假定",Hankel函数积分变换法可以较好地处理半空间表面边界条件。利用该解析解,计算分析了洞室表面透水条件、入射角度、入射频率、海水水深和饱和土的孔隙率等因素对水-土交界面处水平位移、竖向位移和洞室表面动水压力、环周总应力的影响。结果表明:洞室表面透水条件对水-土交界面处水平位移和竖向位移影响较小;随着斜入射角的增加,水-土交界面处竖向位移减小;随着入射频率的增加,水-土交界面处水平位移随之增加;海水水深为2.5倍SV波的波长时,水-土交界面处水平位移及洞室表面动水压力最大值最大;随着孔隙率的增加,水-土交界面处水平位移、竖向位移和洞室表面环周总应力减小,而洞室表面动水压力随之增加。