循环荷载作用下单桩动力模型试验与桩−土界面特性研究

通过开展红黏土中单桩轴向循环振动模型试验,研究不同循环荷载比和加载频率对桩长期动力特性的影响,从桩侧土剪切刚度和侧阻退化两方面出发,对循环荷载作用下桩顶累积沉降机制进行分析。在FLAC3D中,实现能够反映剪切刚度疲劳退化的修正Hardin-Drnevich（H-D）模型,并对常法向刚度（CNS）循环剪切下侧阻退化进行数值模拟。试验发现,循环荷载幅值是桩顶累积沉降变化的重要影响因素;桩顶动刚度在加载初期要先经历一个迅速降低的短暂过渡阶段,之后则不随振次的增加而改变;桩身振动在桩周土中引起的超孔压较小,有效应力的降低不足于使侧阻力发生较大程度的退化;随着加载速度的增大,桩顶动刚度和加速度均随之增大。采用修正H-D模型得到的理论滞回曲线与数值结果基本吻合,验证了程序编制的正确性。     

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。     

堆载下单桩负摩阻力工作性状非线性数值分析

利用三维非线性数值方法对一算例在堆载作用下桩侧负摩阻力进行了计算分析。计算结果揭示了摩擦型、端承型桩负摩阻力工作性状的异同;分析了堆载速度、桩顶荷载对负摩阻力的影响:堆载越快,负摩阻力越小;在无桩顶荷载作用下,由负摩阻力引起的下拉荷载最大,可视为常规方法设计的上限值;桩顶荷载与堆载施工顺序对负摩阻力的影响也很大,先施加桩顶荷载,后进行堆载所产生的负摩阻力最大,反之最小。     

不同激振频率下现浇X形桩桩-筏复合地基模型试验研究

基于大比例模型试验,采用能够近似模拟列车单个轮轴荷载的正弦波荷载,在砂土地基中通过开展不同激振频率下X形桩桩-筏复合地基的动力特性模型试验,研究激振频率对X形桩-筏复合地基动力响应的影响。着重分析了不同激振频率引起的X形桩-筏复合地基的速度、动土压力、桩身动应力等,获得了速度响应、桩身动应力随深度的变化规律。结果发现:筏板的速度响应幅值随着激振频率的增加近似呈线性增加;地基表面动土压力和动力荷载放大系数随激振频率的增大而增大,且增幅逐渐加大;桩顶动应力随激振频率的增大而逐渐增大。相关研究成果可为我国高速铁路桩-筏复合地基的理论分析与计算以及动力荷载放大系数的确定提供参考依据。     

小波变换在确定桩裂缝、断桩及浅部缺陷中的应用

利用小波变换多分辨率分析的Mallat二进小波快速算法,引入Db5小波对桩身具有裂缝、断桩及浅部缺陷的基桩桩顶瞬态响应曲线进行多尺度小波变换。从小波变换结果的高尺度部分可以明显地发现缺陷反射波和桩底反射波,进而精确地确定缺陷位置,为补救措施的制定提供依据。     

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。     

考虑横向惯性下桩的纵向振动理论解和数值解对比分析

考虑桩身的横向惯性效应和桩端土应力扩散效应,进行了成层土桩的纵向振动研究。在桩-土模型中,将桩身等效为Rayleigh-Love杆,桩端土对桩身的支承作用简化为扩散虚土桩模型,采用平面应变模型来描述桩与桩侧土的相互作用。结合初始条件、边界条件和连续条件,并通过积分变换法和阻抗函数递推法,得到半正弦激振脉冲作用下桩顶的动力响应理论解。建立桩-土系统的有限元模型,进行数值计算。分别利用理论解和数值解分析脉冲宽度、桩径、虚土桩桩长和桩侧土夹层等相关参数对桩顶速度时域曲线的影响,并得出了两种方法的对比结果,互相验证了所建模型的正确性。     

高桩码头抗震简化分析方法

国际贸易的迅速发展,加快了港口工程建设的速度,同时对港口工程的抗震性能提出了更高的要求。高桩码头作为港口工程中最常用的结构型式之一,在我国港口工程建设方面得到了广泛应用。目前对高桩码头的抗震简化分析方法以及桩基特性对高桩码头地震响应的影响方面研究较少。基于此,本文利用开源有限元数值计算平台OpenSees,介绍了高桩码头简化分析方法模型的建立途径,并分析了桩基特性参数对高桩码头关键地震响应量的影响。研究结果表明：钢筋弹性模量对码头桩基的地震响应影响较小,可减少考虑;钢筋的强化阶段对截面达到屈服曲率后的弯矩承载力起主要作用;混凝土抗压强度的增加可降低结构的位移响应峰值;过大或过小的混凝土抗压强度和钢筋屈服强度,都不利于码头结构对地震能量的耗散。     

桩土体系相互作用的计算机仿真分析

以一维应力波理论为基础,应用桩土体系相互作用的数值模拟方法,得到了反映桩中应力波的传播过程及反射特性的桩身各点振动速度空间曲面;模拟分析了各类桩身缺陷对桩的振动特性的影响,并将理论曲线与实测曲线进行拟合对比。结果表明:两者基本一致。      

考虑桩顶附加质量时的单桩水平动力响应分析

基于动力Winkler模型,采用与频率相关的刚度系数和阻尼系数来模拟土对桩的动反力,得到了黏弹性地基中考虑桩顶附加质量时的单桩水平动力响应解析解。研究了桩土模量比、桩体长径比以及激振频率对桩基动力响应的影响。分析表明,当考虑桩顶附加质量时,桩体位移总体上有减小的趋势;无量纲频率对桩体水平位移的影响程度要远远大于不考虑桩顶附加质量时的情况。     

地震动信号的小波分析

小波分析是一种新的数学方法,因具有良好的时频局部化性质而优于传统的傅立叶分析。地震动是由于地城引起的地面运动,其时间历程函数表现为具有突变特征的非平稳随机过程,因此更适于利用小波变换进行频谱分析。我们在总结小波分析基本原理和方法的基础上,首次利用小波变换分别对地震动加速度时程和速度时程进行了分解和重构,对地震动信号分解结果做了相应频谱分析,并对其小波分析的工程意义进行了初步探索。     

刚性桩复合地基桩体抗震性能分析

建立三维有限模型,分别采用振型分解反应谱法和时程分析法研究刚性桩复合地基的抗震性能,并根据相似理论,建立刚性桩复合地基群桩模型,采用模型拟动力试验,对其进行了地震作用下桩体响应规律试验研究,并对其在不同方法下的结果进行了对比分析,结果表明：无论是弯矩值还是剪力值,都是角桩最大,其次是边桩,再次是中心桩;不同分析方法所得的位移值相差不大,位移分布比较均匀;而且通过观察试验现象、分析试验和理论数据可见刚性桩复合地基具有良好的抗震性能;模型动力试验方法用于研究刚性桩复合地基的抗震性能是可行的,并且可推广应用到类似性的其他复合地基的抗震性能试验研究。     

基于荷载传递法的单桩非线性受力性状分析软件开发及其应用

基于荷载传递法的单桩非线性受力性状分析软件,可灵活选用不同的荷载传递函数如双曲线模型和软化模型等分析单位侧阻与桩土相对位移间的关系及桩端位移和桩端阻力间的关系,并将桩分成若干桩段以考虑地基土的成层性,且在分析单桩的非线性受力性状的过程中可考虑地下水的影响。该软件得出的单桩受力性状与实际情况吻合较好,提出的基于荷载传递法的单桩非线性受力性状的分析软件是合理可行的,在单桩非线性受力性状的分析上具有一定的实用价值。     

地震荷载下长短桩复合地基的群桩效应系数分析

长短桩复合地基中,地震发生时,短桩在降低长桩所受剪力和弯矩影响中起到重要作用。本研究对弹性地基中的钢管桩基础实行了静态有限元分析,以及动态离心模型试验,通过桩径、桩长、桩间距等参数进行剪切波速,长桩剪力弯矩的对比分析,得到一种新的水平向群桩效应系数计算方法,并通过对模型建筑物的模拟,验证了该方法的有效性与实用性。结果表明,静态有限元数值模拟分析和离心模型试验结果有较好拟合,不同震级作用下通过该方法均能给出较为合理的系数。本文结果可为长短桩复合桩基的抗震性能提供重要参考,实际工程中,通过调整桩径,桩长,短桩数量等参数,可以提出更为合理的设计施工方案。     

基桩低应变法三维干扰最小点位置的影响因素及确定方法

通过工程实测信号和数值模拟分析,证明了瞬态集中荷载敲击下,桩顶三维干扰速度信号的强度沿径向先递减后递增,存在干扰最小点,并对比了不同学者提出的干扰最小点位置处的信号。参数分析表明,三维干扰最小点的位置与桩径、桩长、荷载脉宽、桩身混凝土弹性模量、土层剪切波速及土层泊松比等桩、土参数几乎无关,但与桩身混凝土泊松比密切相关,且泊松比越大,干扰最小点的位置越靠近桩中心。给出了干扰最小点位置与桩身混凝土泊松比之间的函数表达式,可方便应用于实际工程。     

基于岩石声发射信号的指数衰减型小波基构造

通过对小波变换中原函数与小波基函数关系描述发现,通用小波基函数Morlet小波、Marr小波、DOG小波、Haar小波、Daubechies小波等在满足容许条件的基础上,光滑性和紧支撑性不能同时具备的问题。在用小波分析方法研究岩石声发射信号中,困难的是找到合适的小波基函数。根据试验所得岩石声发射信号特征,采用冲击脉冲作用于二阶弱阻尼振动单位脉冲函数作为岩石声发射信号小波分析的基础函数。为拟合岩石声发射信号,提出3个构造条件,并逐一证明、优化,最后构造出带有岩石特征参数的小波基函数。经应用验证,新构造的小波基函数在处理岩石声发射信号方面比通用小波基函数更具优势,为小波分析在岩石声发射方面应用奠定了理论基础。     

夯实水泥土桩荷载传递规律的试验研究

针对夯实水泥土桩的施工方法,在桩身埋设特制的应变传感器,测定桩身应变,进而计算桩身轴力,由此得出桩侧摩阻力,在此基础上分析夯实水泥土桩荷载传递规律及侧摩阻力的分布特征。结果表明,由于夯实水泥土桩体强度的限制,荷载沿桩身的传递限定在浅层一定范围内,桩身变形、轴向荷载、桩侧摩阻力分布主要发生在此范围内,而且变化梯度较大。     

基于小波包能量谱的建（构）筑物爆破地震安全评估

基于现场实测爆破振动数据,采用小波包分析技术对爆破振动信号进行了时频特征分析。根据小波包变换的分层分解关系,推导出爆破振动信号不同频带的小波包频带能量,小波包频带能量能同时反映爆破振动3要素（振动的强度、频率和持续时间）的作用影响。基于小波包能量谱,获得了爆破振动信号不同频带能量的分布特征,根据受控结构体对爆破振动动态响应特性,首次建立了能考虑爆破振动3要素以及受控建（构）筑物本身的动态响应特性（固有频率和阻尼比）等因素综合的安全判据--响应能量判据,并用工程实例验证了该判据的可行性和可靠性。该判据较之现行的速度-频率安全判据来说,能准确地描述爆破振动对受控建（构）筑物的影响程度,更能全面地评估建（构）筑物爆破地震效应。     

Longitudinal vibration of a pile embedded in layered soil considering the transverse inertia effect of pile

The dynamic response of a viscoelastic bearing pile embedded in multilayered soil is theoretically investigated considering the transverse inertia effect of the pile. The soil layers surrounding the pile are modeled as a set of viscoelastic continuous media in three-dimensional axisymmetric space, and a simplified model, i.e., the distributed Voigt model, is proposed to simulate the dynamic interactions of the adjacent soil layers. Meanwhile, the pile is assumed to be a Rayleigh–Love rod with material damping and can be divided into several pile segments allowing for soil layers and pile defects. Both the vertical and radial displacement continuity conditions at the soil–pile interface are taken into account. The potential function decomposition method and the variable separation method are introduced to solve the governing equations of soil vibration in which the vertical and radial displacement components are coupled. On this basis, the impedance function at the top of the pile segment is derived by invoking the force and displacement continuity conditions at the soil–pile interface as well as the bottom of pile segment. The impedance function at the pile head is then obtained by means of the impedance function transfer method. By means of the inverse Fourier transform and convolution theorem, the velocity response in the time domain can also be obtained. The reasonableness of the assumptions of the soil-layer interactions have been verified by comparing the present solutions with two published solutions and a set of well-documented measured pile test data. A parametric analysis is then conducted using the present solutions to investigate the influence of the transverse inertia effect on the dynamic response of an intact pile and a defective pile for different design parameters of the soil–pile system.     

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.