分数导数粘弹性模型描述的土中管桩竖向振动的频域解

在分数导数粘弹性本构模型的基础上综合考虑桩周土和桩芯土的平衡方程和几何方程建立了桩周土和桩芯土的竖向运动的控制方程．在频率域内利用分离变量法和分数导数的性质求解了桩周土和桩芯土竖向振动控制方程．考虑管桩与桩周土、管桩与桩芯土的边界连续性条件以及三角函数的正交性得到了分数导数粘弹性模型描述的土中管桩的竖向振动,通过数值分析研究了管桩和土体模型参数和几何参数对管桩的桩顶复刚度的影响规律．结果显示：桩芯土本构模型的分数导数的阶数对管桩竖向振动的影响较桩周土本构模型的阶数要小,且与频率有一定关系;桩芯土与桩周土的模型参数比τ1 和τ2 对等效阻尼的影响较对刚度因子的影响要大;管桩桩周和桩芯的直径比d 越小,管桩复刚度的实部和虚部就越大;土体力学性能对管桩竖向振动的影响要比管桩桩身力学性能的影响小．     

单桩竖向动力阻抗计算模型研究

运用土动力学和结构动力学原理,同时考虑桩周土的弱化效应和桩-土界面的相对滑移效应,利用数理方程方法分别求解单桩与桩周近场土域及远场土域的振动方程,建立了竖向荷载作用下单桩动力阻抗函数的简化计算方法,提出了一种改进的非线性动力Winkler模型,确定了模型中各物理元件的参数,进而通过对比分析验证了计算模型的合理性,从而为桩-土-上部结构耦合系统的非线性分析奠定了基础。     

单桩横向非线性惯性响应简化分析计算方法

根据已建立的地基土-单桩系统横向非线性动力相互作用的简化分析模型,在动力Winkler模型的基础上,研究单桩横向非线性惯性响应。简化模型中．地基土对桩轴的横向非线性作用力．由非线性迟滞退化弹簧模拟,地基土在运动过程中的能量耗散,由与弹簧并联的粘壶模拟。利用有限元空间离散技术和Newmark-β法,讨论了横向惯性荷载作用下．单桩运动方程在时域中的求解方法。计算结果表明,该模型能够反映单桩非线性惯性响应的主要特征。能够揭示各种非线性因素,如：桩周土的迟滞效应、退化、屈服,以及土-桩界面的分离等,对单桩惯性响应的影响。计算结果与试验结果相当吻合。     

黏弹性土层中单桩纵向振动的对比分析

在频率域内研究了黏弹性土层中端承桩纵向振动的动力特性.将土骨架视为具有分数阶导数本构关系的黏弹性体,基于黏弹性理论,采用平面应变模型给出了分数阶导数黏弹性土层的动力阻抗.考虑桩纵向振动时的横向惯性效应,将桩等效为Rayleigh-Love杆,得到了桩头动力复刚度和导纳的解析表达式.通过数值计算,分析了不同模型土条件下桩头动刚度因子和阻尼随激励频率的动力响应.同时,研究了Rayleigh-Love和Euler-Bernoulli两种模型桩动力特性的差异.分析了桩-土界面连续性模型和相对滑移模型对黏弹性土层中桩纵向振动的影响.结果表明:1随着阶数和材料参数比的增加,桩头刚度因子和阻尼明显减小;2对于大直径桩,随着外荷载激励频率的增加,桩横向效应对刚度因子和阻尼有显著影响.3连续性模型条件下桩头的刚度因子和阻尼在共振时的振幅小于相对滑移模型条件.     

层状土中考虑频域内轴向力分担的群桩水平动力阻抗

以动力文克尔梁模型为基本理论，在充分考虑了土的分层以及桩顶轴向力参与作用后导出了一种新的计算层状介质中水平动力相互作用因子的方法，进一步扩展了群桩-土相互作用简化法的应用范围，可以计算任意构型、桩数、土层属性下的群桩系统阻抗反应，其计算工作量较小，是其它数值方法难以比拟的。数值计算结果表明；桩顶轴向力的引入不能从本质上改变桩基振动形式，但考虑竖向振动附加影响的水平激振作用会产生相当的动力P-△效应，致使水平单、群桩阻抗效应降低，位移反应增大，同时桩间动力相互作用影响也较单-水平力作用时有明显规律性的增强。     

考虑土-结构相互作用效应的三维桩基结构动力有限元分析

结合简化阻抗法建立了三维相互作用结构的动力有限元分析模型,导出了考虑群桩刚体、惯性效应作用时的结构相互作用时程积分方程式,以近乎纯结构有限元的建模途径合理地反映出桩-土-上部结构在水平地震作用下的动力相互作用特性。模型中引入具有桩(筏)-土阻抗特性的弹阻单元来描述不同群桩布置、土层状况因素对体系反应的参与作用,而在动力方程中竖向SV剪切波经桩土刚体相互作用产生的水平、摇摆分量对体系的影响亦得以体现。20层桩承刚框架结构的动力分析表明:较柔的桩、土基础使得体系的SSI效应增强,但其参与程度与群桩效应相关,而结构构件内力较不考虑相互作用时有较大折减;应用该法可精确、快速地进行复杂上、下部结构时程反应分析。     

饱和粘弹性土层中悬浮桩的纵向振动

基于不可压饱和粘弹性多孔介质理论和一维杆件模型,利用虚拟土桩的概念,研究了不可缮压饱和粘弹性土层中悬浮桩纵向振动的动力刚度.通过势函数解耦和三角级数解法,得到了悬浮桩纵向谐调振动的半解析解和桩头动力刚度.在此基础上通过数值计算,研究了物性参数、几何参数等对刚度的影响,结果表明:悬浮桩纵向振动的动力刚度受桩长、土的软硬程度、激振频率等的影响,对比了细长桩和短粗桩的响应差异,这些结果可为悬浮桩-土相互作用的数值分析和工程设计提供参考.     

层状饱和土中管桩瞬态扭转振动研究

对瞬态扭转激振荷载作用下层状饱和土中端承管桩的动力响应问题进行了研究。首先借助Laplace变换和分离变量法解耦Biot波动方程,土层层间动力相互作用简化为分布式线弹簧,并结合桩-土交界面上的应力和位移连续边界条件,导出了各节段管桩在Laplace变换域内扭转动力响应的解析表达式;然后,根据阻抗函数传递原理,并对得到的解进行Laplace数值逆变换,最终获得了瞬态扭转荷载作用下层状饱和土中管桩动力响应的时域解答。研究表明：桩顶作用三角形或半正弦荷载情况下,最大桩顶扭转角产生时刻落后于最大荷载对应时刻;且当桩周土渗透系数处于相对较高和较低范围内,桩顶转角几乎保持不变,在中间范围内则随渗透系数增大而增大;硬夹层的存在将使桩身上部扭矩增大,下部扭矩减小,软夹层下规律相反。     

垂直受荷群桩在半空间饱和土中的稳态反应

研究了均质半空间饱和土中群桩在垂直稳态荷载作用下的动力反应问题。半空间饱和土采用Biot提出的三维波动原理。将桩看作是一维的弹性杆单元。利用圆形简谐载荷作用下的Biot固结方程的基本解和桩土之间的变形协调条件得到饱和土中群桩的第二类Fredholm积分方程,群桩的动力阻抗采用动力相互作用因子的方法。分析桩距等参数对群桩阻抗、轴力和孔压等的影响。本文的方法可以用于计算层状饱和土中群桩的动力反应问题。     

桩侧扰动分区饱和土中桩竖向振动特性研究

考虑沉桩过程中桩周土受到扰动产生软化或硬化的现象,建立了饱和土中径向分区桩竖向振动简化模型,通过分离变量方法,得到了桩竖向振动频域解析解和时域半解析解。分析了分区土对桩竖向振动特性的影响,数值计算结果表明,土层模量比、分区半径和桩底支承系数对桩竖向振动有较明显的影响。研究结果还表明,在较强的振动作用下,由于分区软化或强...     

桩顶柔性约束下管桩水平瞬态振动特性研究

基于Pasternak地基模型,在忽略桩芯土作用的基础上,对桩顶柔性约束条件下层状地基中管桩水平瞬态动力响应进行了理论研究。采用两阶段等效线性模型描述了桩顶弯矩和转角的关系;通过传递矩阵法建立了任意桩段与桩顶状态变量关系;并结合Laplace变换及数值逆变换,求得了层状地基中管桩水平瞬态动力响应的时域解答。结果表明:随着桩顶约束(转动刚度K)的增大,管桩水平抗力增强,桩顶位移减小而弯矩增大,桩身反弯点处弯矩和剪力均减小;桩顶最大位移比χ和约束度λ在高、低K区域均有一数值不变段;中间柔性约束区段,则随着K的增大,χ逐渐减小,而λ逐渐增大,且增幅大于χ的减小幅度。     

基于群桩振动方程组的群桩基础阻抗函数求解及比较

本文首先在位移场叠加的基础上,对经典的单桩振动方程进行了修正得到群桩振动方程组;然后根据群桩振动方程组的近似求解,导出了群桩阻抗函数求解的常用方法一群桩阻抗方程方法。本文中给出的群桩阻抗方程方法在具体的表达形式上与常见的阻抗方程计算方法略有差别;而后根据振动方程组系数矩阵在复空间为正规阵的性质,提出了该四阶耦合微分方程组解耦求解的详细步骤,在直接求解微分方程组的基础上给出了群桩基础阻抗计算的一种新方法。与阻抗方程方法相比较,新方法未采用柔度因子来考虑桩与桩之间的相互影响,而是通过耦合的运动方程组对桩与桩之间的相互作用作了新的表述,并且近似地考虑了屏蔽效应。本文最后给出了上述两种计算方法的数值算例。     

有限长完整桩中的扭转波

解析地研究了桩顶受到冲击扭矩作用时桩的扭转波及其特征。把桩身当作有限长均匀弹性杆,并考虑桩土相互作用,由Laplace正变换和反变换,分别得到桩土系统扭转振动的传递函数和脉冲响应。进一步得到桩顶扭转振动速度的频响函数、频域和时域表达式。对桩中扭转波和纵波进行对比研究;研究了摩檫桩、自由桩和嵌岩桩中扭转波的特征;由参数研究及推出的理论公式揭示,桩中扭转波的衰减取决于下面三个比值:桩周土剪切波速与桩身扭转波速比、桩长与桩直径比、桩周土密度与桩身密度比。     

基于弹塑性模型的群桩-土-结构动力非线性数值分析

提出一种群桩-土弹塑性模型,结合动力文克尔理论,推导出了与桩(筏)-土属性及SSI体系频率相关的各项弹簧-阻尼单元动力阻抗,建立了三维框架土-结构相互作用有限元简化分析模型。针对不同地震激励,在不同桩-土条件下对模型进行了动力非线性时程分析,结果表明,在某些地震动和土-基础条件下,上部结构非线性作用效应结果可能大于固基假定情形,且桩-土弹塑性模型对上部结构柔弱层位置产生影响。应用本文简化方法可以快速、较准确有效地进行复杂的上下部结构动力时程分析及抗震评估。     

碎石桩复合地基若干问题的理论分析

由桩-土侧向变形及竖向变形协调条件，基于弹性理论导出了桩及桩周土的应力-应变关系、桩体材料屈服时桩-土应力比的计算式．推出了桩周土处于极限平衡状态下，碎石桩极限承载力计算式．指出了用碎石桩加固软土地基效果比较明显．但用碎石桩来加固土的变形模量大于8MPa的地基，加固效果十分有限．最后，通过工程实例，将计算结果与实验结果作了对比．     

弹簧地基上大直径单桩海上风机的一阶自振频率

自振频率是海上风机前期动力设计的主要难点之一,计算精度要求极高,而桩-土相互作用对自振频率影响显著。目前,针对桩-土相互作用普遍采用弹簧地基简化模型,为对比分析不同弹簧地基简化模型的准确性和精度,本文采用回传射线矩阵法,建立固定端、单弹簧、双弹簧和三弹簧这4种地基简化模型,基于Bernoulli-Euler梁理论和Timoshenko梁理论,求解风机系统的自振频率,并与风机基频实测值作对比,进一步分析三弹簧简化地基模型中地基旋转刚度、地基耦合刚度和地基水平刚度对风机系统基频的影响。研究结果表明,桩-土相互作用不可忽略,三弹簧地基简化模型计算风机系统基频精度最高;地基刚度对风机系统基频的敏感性次序为,地基耦合刚度>地基旋转刚度>地基水平刚度;当地基旋转(水平)刚度较小时,地基耦合刚度与地基旋转(水平)刚度的耦合效应对风机系统的基频影响较大;地基耦合刚度与地基旋转刚度的耦合效应对风机系统基频的影响程度大于地基耦合刚度与地基水平刚度的耦合效应。     

饱和土中端承桩纵向振动特性研究

基于饱和多孔介质理论研究了三维轴对称条件下端承桩在饱和土中的纵向耦合振动. 首先通 过引入势函数对Biot动力固结方程解耦，采用算子分解方法及分离变量法求得饱和土层振动 解，进而利用桩土完全耦合条件得到桩土系统定解. 然后对桩顶的频率和时域响应进行参数 研究，结果表明，桩的长径比和桩土模量比对桩顶动力响应有较大影响，而渗透力对其影响 较小. 最后将幅频及时域反射波理论拟合结果与桩基实测结果加以对比，结果表明理论曲线 与实测曲线规律一致.     

层状地基中单桩扭转振动特性分析

采用积分变换和Muki的方法求解了层状地基中单桩的扭转振动问题.在分析过程中,首先对基本控制方程进行Hankel变换,建立了单层地基的初参数解答和刚度矩阵,得到层状地基的递推矩阵;然后利用递推矩阵、边界条件和桩-土变形协调条件建立了层状地基中单桩扭转振动问题的基本积分方程并进行数值求解.文末数值算例给出了退化的层状地基中刚性单桩的扭转变形,其结果与已有经典解答吻合良好.同时,并研究了两层地基中单桩的扭转动力响应,分析了桩-土参数对动力响应的影响,所得结论对工程实践和桩基扭转波检测有一定的指导意义.     

基于能力谱法的土-桩-结构相互作用分析

本文基于能力谱方法对天然地基上带群桩基础的高层框架结构进行了平面静力弹塑性分析.文中首先应用子结构原理,将群桩基础用一组弹簧来模拟,并用Davies方法确定群桩刚度,建立了土-桩-高层框架结构相互作用体系Pushover分析模型;在此基础上,分析了均匀分布方式和依各层质量与第一弹性振型乘积比例分布等两种侧向加载模式下土-桩-结构相互作用模型和刚性地基模型的结构各性能点的加速度谱值Sa和位移谱值Sd、以及基底剪力和顶点位移等,探讨了不同地震烈度(7度、8度和9度)下两种不同分析模型间的结果差异,得到了一些有应用价值的结果.     

圆柱形储罐考虑桩土相互作用地震响应的简化分析

以Penzien集中质量模型为基础建立了某圆柱形锚固储罐考虑桩-土-罐相互作用及罐壁柔性的简化分析模型,采用有限元软件ABAQUS建立了该桩-土-罐力学模型,分析了其自振特性及在水平基岩波激励下的动力响应.分析结果得知,相比于刚性地基,考虑桩土相互作用的储液罐对流频率几乎不变,第一阶柔性脉动频率略有减小;在动力响应方面,储液罐基底剪力和力矩最大值略有减小,但其对流分量和刚性脉动分量最大值均有增大,所以本文建议在储液罐进行设计时应充分考虑桩土相互作用后储罐动力响应的有利和不利变化,从整体上把握来确保储液罐的抗震安全性.