饱和土体中管桩屏障对平面SV波的隔离效应

采用Biot两相介质理论与间接边界积分方程法(IBIEM),研究了饱和土体中空心管桩屏障二维宽频隔振效应。通过在空心管桩内外交界面附近引入虚拟波源来构造内、外散射场,继而由边界条件建立边界积分方程,以此求得虚拟波源密度。以空心管桩对平面SV波的隔离为例,讨论了不同孔隙率、桩间距、排桩排数以及入射频率等因素对隔振效果的影响。结果表明:低频入射时,孔隙率越大隔振效果越好;排桩间距是影响单排桩隔振的主要因素;低频入射时,双排管桩的隔振效果比单排时更加明显,但随着管桩排数进一步增大,其隔振效果不再有明显的提升;当入射频率增大时,三排桩隔振效果比双排桩下降。     

基于叠加原理的群管桩的纵向振动

利用Winkler地基模型来模拟管桩与桩周土、管桩与桩芯土的动力相互作用,在忽略桩周土、桩芯土的径向、环向位移的情况下,得到了Winkler地基模型的刚度系数和阻尼系数。在Winkler地基模型的基础上建立了主动管桩和被动管桩的纵向振动方程,将相互作用因子的概念扩展应用到管桩-管桩纵向动力相互作用,得到了管桩-管桩纵向动力相互作用因子。在叠加原理和管桩-管桩动力相互作用因子的基础上,求解了管桩的纵向振动,得到了管桩的纵向动力阻抗。通过数值算例分析了相关参量对管桩-管桩纵向动力相互作用和群管桩纵向振动的影响。研究结果表明:管桩内外半径比、桩土剪切模量比、管桩长径比对管桩-管桩纵向动力相互作用和群管桩纵向振动有较大的影响,桩间距较大时管桩-管桩纵向动力相互作用因子和群桩动力阻抗随频率变化曲线波动越大;管桩壁厚不宜过薄。     

梯度波阻板的地基振动控制研究

波阻板(wave impeding block,WIB)隔振体系是一种有效的振动污染治理措施,虽逐渐被应用在工程实际中,但以往的研究多集中于单相固体均质材料的情形,而对材料特性沿空间连续变化的非均匀固体材料的波阻板隔振性能的研究相对较少.基于功能梯度材料(functionally graded material,FGM)特点,本文提出了以功能梯度波阻板作为隔振屏障的一类新型的地基振动控制体系.考虑在弹性地基内部设置梯度波阻板,基于线弹性理论,利用傅里叶积分变换,根据Helmholtz矢量分解原理,建立了弹性地基在动载荷作用下的回传射线矩阵法(reverberation ray matrix method,RRMM)计算列式.假设梯度波阻板的物理力学性质沿深度方向按幂函数连续变化,采用数值傅里叶逆变换获得了弹性地基的位移和应力等物理量的数值解.通过数值算例,与单相固体均质波阻板进行了对比,并分析讨论了梯度波阻板的材料梯度因子、埋深以及梯度波阻板厚度等物理力学参数对地基隔振性能的影响规律.结果表明,梯度波阻板能有效降低振动的振幅,与单相固体均质波阻板相比,梯度波阻板具有更好的减振隔振效果.地基的位移幅值和应力幅值随着梯度因子的增大而减小.梯度波阻板的隔振效果随着波阻板厚度的增大而提高,而随着梯度波阻板埋深的增大而降低.     

ANALYSIS OF GROUND VIBRATION CONTROL BY GRADED WAVE IMPEDING BLOCK

波阻板（wave impeding block,WIB）隔振体系是一种有效的振动污染治理措施,虽逐渐被应用在工程实际中,但以往的研究多集中于单相固体均质材料的情形,而对材料特性沿空间连续变化的非均匀固体材料的波阻板隔振性能的研究相对较少.基于功能梯度材料（functionally graded material,FGM）特点,本文提出了以功能梯度波阻板作为隔振屏障的一类新型的地基振动控制体系.考虑在弹性地基内部设置梯度波阻板,基于线弹性理论,利用傅里叶积分变换,根据Helmholtz矢量分解原理,建立了弹性地基在动载荷作用下的回传射线矩阵法（reverberation ray matrix method,RRMM）计算列式.假设梯度波阻板的物理力学性质沿深度方向按幂函数连续变化,采用数值傅里叶逆变换获得了弹性地基的位移和应力等物理量的数值解.通过数值算例,与单相固体均质波阻板进行了对比,并分析讨论了梯度波阻板的材料梯度因子、埋深以及梯度波阻板厚度等物理力学参数对地基隔振性能的影响规律.结果表明,梯度波阻板能有效降低振动的振幅,与单相固体均质波阻板相比,梯度波阻板具有更好的减振隔振效果.地基的位移幅值和应力幅值随着梯度因子的增大而减小.梯度波阻板的隔振效果随着波阻板厚度的增大而提高,而随着梯度波阻板埋深的增大而降低.     

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。     

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。     

柔性器件基底预应变和各参数对蛇形结构延展性的影响

为了提高柔性电子器件在大变形过程中的可变形性,防止失效破坏,本文以完全粘结的蛇形结构为例,利用ABAQUS有限元软件建立了金属薄膜交联导体-基底的三维有限元模型,研究了金属导体在基底预应变作用下的延展性,计算出导体和基底的不同材料和几何参数(基底厚度ts(500μm~3000μm)、导体宽度wm(1μm~4μm)、导体厚度tm(0.25μm~6μm)、长间距比α(0~3))下蛇形结构的弹性延伸率(εs)大小,并利用Origin软件得出了各参数与弹性延伸率的关系曲线。结果表明:弹性延伸率随着基底弹性模量、金属厚度的增加而减小,随着导体弹性模量的增大而增大,当金属厚度tm<0.45μm时,弹性延伸率超过100%,导体延伸率受基底厚度、金属宽度影响较小;当长间距比α<1时延伸率随着α的增大而增大,α>1时基本保持不变。根据这些结果可进一步优化系统结构,使系统获得最大延展性。数值模拟结果也说明了基底预应变能显著提高蛇形交联导体的弹性延伸率。     

平面波在双孔隙介质中球形夹杂上的散射

基于拓展的Biot孔隙介质弹性理论,将波函数展开法推广应用到求解平面压缩波在双孔隙介质中单球形理想流体夹杂上的散射问题中.在低频条件下,给出了问题解析解的形式,包括位移场和应力场.由进一步的数值计算结果可知:P1波和S波的一阶谐波振幅随着基质孔隙率的增大而减小,P2波的谐波振幅则增大,而P3波的谐波振幅基本不受其影响;随着裂隙孔隙率的增大,P1波的谐波振幅逐渐减小,P3波和S波的谐波振幅增大,而对P2波的谐波振幅的影响甚微;频率越高,双孔隙介质的基质孔隙率及裂隙孔隙率对其谐波振幅的影响越显著.     

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.     

双介质耦合刚性基弹性层平面应变型导波模式及界面散射能量分配

过渡段动力稳定性问题已成为制约400 km/h及以上高铁路基设计的关键难题,亟需从波动和能量的角度探究由基础非均匀引发的线路系统动力响应放大机理.文章将轨下基础简化为上表面自由、底端固定的刚性基弹性层,将高铁过渡段车致弹性波传播问题提炼为非均匀介质刚性基弹性层中波的散射问题,建立双介质耦合刚性基弹性层平面应变模型,优化该类波导结构频散方程在复平面求根方法,并结合岩土类介质特征展开刚性基弹性层频散分析,以明确其多模式导波特性及散射能量分配,最后,围绕弹性层厚度、刚度比等影响因素开展对比分析.结果表明:刚性基弹性层各模式导波均具有截止频率,弹性层厚度越小,杨氏模量越大,各阶导波模式的截止频率越高;入射波在双介质刚性基弹性层发生散射后,透射场基阶模式导波会占据主体能量,随着高阶导波模式被逐一激发,反射场及透射场高阶模式能量占比会在全频率范围呈现“此消彼长”状态;交换两侧弹性层材料,改变弹性层厚度及两弹性层刚度比不会显著改变能量分布规律,但总体来看,能量更易集中在较软侧弹性层中,各模式导波在激发初始频段会更为活跃,可分配到更多能量.     

Analysis of Isolation Effectiveness of Shear Waves by a Row of Hollow Pipe Piles in Saturated Soils

Wave numbers about the three types of waves in saturated soils are firstly given in this paper. The lengths of the pipe piles are much larger than their diameters, so the isolation problem about SV waves by discontinuous barriers composed of a row of pipe piles can be simplified as a two-dimensional scattering problem. The expansion method of wave functions is adopted, the stresses and displacements at the boundaries between the pipe piles and adjacent soils are considered as continuous and the inner sides of the pipe piles are free, and then the theoretical solutions are obtained about this two-dimensional scattering problem. Normalized displacements are introduced, which are the displacements behind the barriers caused by both the incident and scattered waves to those only by the incident SV waves, contours and curves of the normalized displacements are drawn, and the influences of wall thickness of pipe piles, modulus ratio of pipe piles to soils, spacing distance between the pipe piles and pipe pile numbers on the isolation effectiveness are analyzed.     

被动桩中土拱效应特征与影响参数研究

采用平面有限元方法,对被动桩在粘性、无粘性土体条件下的土拱形成机理进行了分析。从土拱效应的4个主要方面:土拱形状、桩周土体塑性(拉裂)区的分布、竖向位移等值线及桩后土体残余荷载分担比,探讨了改变桩、土参数,如粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比、剪胀角、桩土接触面特性时,土拱效应的变化规律。研究表明,土性不同时,土拱形成过程中土体的受力和破坏形式不同;泊松比、剪胀角、桩土接触特征对土拱效应的影响最明显;强度高、剪胀角大、桩土接触面粗糙或泊松比小的土体,易形成土拱。根据研究结果,指出Tom io Ito排桩塑性绕流土压力理论计算公式尚存不足。     

星型负泊松比多孔材料力学性能及应用研究

论文推导了星型负泊松比多孔材料的泊松比$弹性模量及相对密度的解析表达式"并通过有限元分 析验证了解析表达式的准确性:星型负泊松比多孔材料具有优异的吸能与隔振性能"论文设计了一种船用星型多 孔材料隔振基座:建立了不同层数$壁厚$泊松比的星型多孔材料隔振基座对应的数值有限元模型"探究了星型多 孔材料薄壁结构泊松比$层数以及壁厚对多孔材料隔振基座强度与减振性能的影响:研究表明"减少多孔材料薄壁 结构的层数和壁厚"选用胞元泊松比?%:$的星型多孔材料"可以获得低频隔振效果好$强度高的多孔材料隔振 基。     

AN ANALYTICAL SOLUTION TO LONGITUDINAL VIBRATION OF A PILE OF ARBITRARY SEGMENTS WITH VARIABLE MODULUS

The vibration problem of a pile of arbitrary segments with variable modulus under exciting force is established, in which the influence of the soil under pile toe and the surroundings is taken into account. With Laplace transforms, the transmit functions for velocity and displacement of pile are derived. Furthermore, in terms of the convolution theorem and inversed Laplace transform, an analytical solution for the time domain response of a pile subjected to a semi-sine impulse is developed, which is the theoretical basis of the sonic method in pile integrity testing. Based on the solution, the vibration properties of pile with sharp or continuous modulus are studied. The validity of this approach is verified through field dynamic tests on some engineering piles. It shows that the theoretical prediction and the response of the pile are in good agreement.     

任意段变模量桩纵向振动的解析解

建立了均质土中考虑桩端土和桩侧土作用的任意段变模量桩，讨论了在桩顶受纵向激励时的定解问题，并用拉氏变换（Laplace)求得桩顶速度频域响应的解析解，然后利用卷积定理和拉氏逆变换求得桩顶速度时域响应的解析解，并将其运用到桩基质量的动力检测中。对弹性模量突变桩以及模量连续变化桩的振动特性作了进一步的研究，并将理论曲线与实测曲线进行了拟合对比，结果表明，两者吻合较好。     

Numerical analysis of the isolation of the vibration due to Rayleigh waves by using pile rows in the poroelastic medium

The isolation of the vibration due to harmonic Rayleigh waves using pile rows embedded in a saturated poroelastic half-space is investigated in this study. Based on Biot’s theory and the potential function method, the free field solution for Rayleigh waves along the surface of the poroelastic half-space is derived first. The fundamental solution for a harmonic circular patch load applied in the poroelastic half-space are obtained in terms of Biot’s theory and the integral transform method. Using Muki’s method and the fundamental solution for the circular patch load as well as the Rayleigh waves solution for the poroelastic half-space, the second kind of Fredholm integral equations in the frequency domain for pile rows are derived. Numerical solution of the integral equations yields the dynamic response of the pile–soil system to incident Rayleigh waves. Influences of various parameters on the vibration isolation effect of piles rows are investigated numerically. Numerical results suggest that for the same vibration source, the same pile rows will produce a better vibration isolation effect for the poroelastic medium than for a single phase elastic medium. Also, stiffer piles tend to have better vibration isolation effect than flexible piles. Moreover, the pile length and the spacing between neighboring piles in each pile row have significant influence on the vibration isolation effect of pile rows.     

砂土中螺旋锚基础水平振动特性的模型试验研究

在水平激励作用下,钢管螺旋锚基础-土的动力相互作用具有明显的非线性特性。基于自制的锚土动力相互作用模型试验系统,对砂土中不同锚体几何结构的钢管螺旋锚的水平振动响应特性进行了研究,具体分析了螺旋锚长径比(L/D)、叶片距宽比(S/D0)、叶片外伸比(D0/D)、不同荷载幅值(F0)和振动频率(f)等对螺旋锚水平动力响应特性的影响,并与直桩进行了对比分析。通过研究螺旋锚周围土体的应力扩散,讨论了水平动力荷载作用下螺旋锚-土的相互作用规律。研究结果表明:长径比(L/D)是影响直桩和螺旋锚水平动力响应特性的重要因素;在锚径相同的条件下,锚土系统的共振频率随锚体长径比的增加而减小,随叶片外伸比的增加而增加,但对叶片距宽比相对不敏感;在锚体几何结构相同的前提下,激振荷载幅值越大,直桩土系统的共振频率越小,但激振荷载幅值对螺旋锚土系统共振频率的影响相对较小。     

梁-桩-土竖向耦合振动特性分析

针对桩与连续梁组合这一基础形式,研究了梁—桩—土竖向耦合振动特性. 首先,将桩假设为一维黏弹性杆件,采用平面应变模型模拟桩侧成层土对桩的动力作用. 同时,桩顶对梁的支撑简化为竖向点支撑. 然后,分别根据一维杆件纵向振动理论和Timoshenko梁理论给出桩和梁的竖向振动控制方程并求解,进而借助离散傅里叶逆变换获得在梁上瞬时激振下梁和土层以上桩段的时域响应半解析解. 通过与有限元模拟结果对比,验证了解的合理性. 在此基础上,讨论了梁几何参数和桩身缺陷对梁—桩—土竖向耦合振动特性的影响.      

A numerical model for the isolation of moving-load induced vibrations by pile rows embedded in layered porous media

A numerical model is developed to analyse the isolation of moving-load induced vibrations using pile rows embedded in a layered poroelastic half-space. Based on Biot’s theory and the transmission and reflection matrices (TRM) method, the free wave field solution for a moving load applied on the surface of a layered poroelastic half-space and the fundamental solution for an harmonic circular patch load are determined. Using Muki and Sternberg’s method, the second kind of frequency domain Fredholm integral equations for the dynamic interaction between pile rows and the layered poroelastic half-space are derived. The time domain solution is recovered via inverse Fourier transform in order to obtain the amplitude reduction ratio and thus assess the vibration isolation efficiency of pile rows. A special case of the present model shows good agreement with an existing solution. Numerical results of this study show that the speed of moving loads has an important influence on the isolation of vibrations by pile rows: the same pile rows can achieve better isolation efficiencies for higher speed loads than for lower speed loads. Pile rows embedded in a two-layered poroelastic half-space with a softer overlying layer usually generate better vibration isolation effects than those with a stiffer overlying layer. Finally, better isolation vibration may be realized by increasing the pile length and decreasing the net spacing between neighboring piles in a pile row.     

考虑横向惯性效应的非饱和土中单桩的竖向动力响应

基于非饱和土的动力控制方程,考虑横向惯性效应,建立了三相非饱和介质中嵌岩桩的竖向动力响应连续介质模型,对桩侧非饱和土的动力控制方程进行Laplace变换,在频域内,通过引入势函数、算子分解等手段对控制方程进行解析,得到了桩侧土体剪应力及竖向振动位移的表达式.结合桩基的竖向振动方程及桩–土接触面的连续性条件,使桩土耦合振动系统得以解答,最终在频域内得到了桩顶复刚度、导纳、桩–土系统振动位移及应力的解析解,借助Laplace逆变换得到了半正弦激励载荷下桩顶的速度时程曲线.最后,通过算例分析验证了计算结果的准确性,分析了横向惯性、泊松比、饱和度、长径比、桩土模量比等因素对桩基动力响应的影响.结果表明:(1)单桩动刚度、阻尼、导纳等变量随频率变化发生周期性振荡,在桩基各阶固有频率处发生共振;(2)泊松比、饱和度、长径比、桩土模量比等因素对桩基的动力响应有较大影响,且频率越大,影响越明显;(3)泊松比越大,单桩动刚度、阻尼、导纳的波动幅值及对应的频率越小,桩顶时程曲线中的桩底反射信号越弱;(4)饱和度越大,对应各动力响应的波动幅值越大,且桩底反射信号的波峰越大.