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。     

考虑桩土共同作用的钻孔灌注桩承载性状分析

以盖州北海渔民回迁楼工程为依托,选取其中的C14 号楼为研究对象,对其中两根试桩进行现场静载试验,并获得了Q-S 曲线、侧摩阻力随深度变化曲线、桩身轴力随深度变化曲线及桩土接触面相对位移随深度变化曲线. 然后根据现场勘查资料及有限元参数选取的经验值建立单桩模型,利用大型有限元分析软件ADINA 对单桩进行分析,并根据模拟数据及实测数据利用MATLAB 绘制了各项主要承载特性的对比曲线,一方面验证模型及参数的合理性,另一方面研究桩长对单桩各项主要承载特性的影响. 最后利用单桩验证过的模型及参数建立群桩模型,分析群桩的各项主要承载特性与桩长及桩间距的关系.     

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。     

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。     

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.     

土-桩-结构相互作用体系随机地震反应分析

本文采用随机振动理论与有限元技术相结合的方法，以基岩随机地震作为输入，对群桩基础和土-桩-结构相互作用体系进行了三维随机地震反应分析。文中首先以一3X3群桩基础作为分析模型，探讨了桩-土-桩动力相互作用对承台随机地震反应的影响；然后，用单自由度体系模拟上部结构，分析了上部结构惯性对桩基承台随机地震反应的影响。在此基础上，以某桥桥墩为背景，用多自由度体系模拟上部结构，建立了土-桩-结构相互作用体系的三维分析模型，获得了桩基承台的功率谱响应、以及桩顶处的主应力标准差和主应力速率标准差等结果，探讨了群桩顶部各桩主应力标准差的分布规律，得到了一些有应用价值的结果。     

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。     

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。     

台风过境下大型单桩式海上风机结构动力特性研究

风机大型化是我国海上风电技术发展的重要方向. 东南沿海是我国海上风电发展的重要基地, 这一区域频繁发生的台风对海上风机的影响不可忽略. 台风风场与常规大风风场有不同的湍流特性, 同时台风期间较高的风速会引起巨大的台风浪. 本文考虑台风经过期间独特的风场及波浪场, 开展风浪联合作用对大型单桩海上风机影响的研究. 基于DTU 10 MW大型单桩风机, 运用一体化分析软件SIMA建立风浪联合作用下大型单桩风机的耦合数值模型, 研究台风经过不同阶段大型风力机的动力响应特性. 计算结果显示, 叶片变桨能有效降低台风经过时风机叶片所受风载荷, 变桨状态下单桩风机所受风载荷主要来源于塔筒. 在台风经过的不同阶段, 大型单桩海上风机结构表现出不同的动力特性. 台风全过程塔筒运动均受波浪激发一阶频率控制, 塔基上方结构动力载荷以惯性载荷为主, FOVS至FEWS阶段及BOVS阶段至BEWS阶段塔筒运动一阶频率处响应能量增长较小, 响应能量向低频及波频转移. 塔基下方泥面线处剪力响应受波频控制, 弯矩响应受一阶频率控制.      

考虑流固耦合的近海风电支撑体系自振特性分析

近海风电支撑结构的自振特性是此类结构抗震设计的基础.以某海上风电场1.5MW风电基础支撑体系为背景,考虑流固耦合效应,采用有限元方法对近海风电支撑体系的自振频率和振型进行了计算分析.文中首先将单桩无水工况的数值结果与解析结果做了比较,验证了本文有限元模型的准确性.在此基础上,分单桩有水、单桩无水、四桩有水和四桩无水四种工况进行了支撑体系的自振特性分析,给出了前十阶自振频率和振型,探讨了势流体水层对近海风电支撑体系自振特性的影响.结果表明:水层的存在对单桩体系的前两阶自振频率以及四桩体系的前四阶自振频率影响甚小;总体而言,水层对单桩体系三阶以后的自振频率的影响要明显大于对四桩体系五阶以后的自振频率的影响;本文选取的近海风电支撑体系的各阶频率均能有效避开马达转动频率和叶轮扫略频率.     

基于有限元强度折减法的复式抗滑桩内力计算及桩土作用机理分析

在边坡、滑坡防治工程中已得到广泛应用的“П”形、“h”形等复合式抗滑桩,由于其多属于复杂的超静定结构,受力形式或荷载分配方式仍存在较大争议,桩土相互作用关系复杂,传统方法在求解其内力时往往面临较大困难。有限单元法和强度折减法的结合为解决这类问题提供了一条可行的途径,该方法求解这一类问题时不需要假定抗滑桩系统的结构类型以及岩土体作用在抗滑桩上的荷载分布形式,因此获得的计算结果往往更符合实际情况。本文以某隧道进口岸坡的“П”形抗滑桩为例,在详细分析岸坡稳定性状况以及可能失稳模式的基础上,采用有限元强度折减法对桩身内力、桩土作用关系以及治理效果进行计算和分析,结果表明利用有限元强度折减法求解这类具有复杂超静定结构抗滑桩系统的内力是一条有效的途径,计算结果对该治理工程的设计具有一定的应用参考意义。     

分层总和法在有承台单桩非线性分析中的应用—变形总和法

本文运用弹性半空间无限体的明德林理论和浅基础中的分层总和法，对桩土间滑动采用刚塑性模型，分析了桩－台－土相互作用的机理，并对带台单桩的工作性态较详尽的对比及分析。通过与某实际工程试桩资料比较，理论计算Ｐ－Ｓ曲线与试桩Ｐ－Ｓ曲线基本吻合，证明了本文计算方法的正确性，计算及分析结果对桩基的设计和研究有较大的参考价值。     

竖向预应力锚索抗滑桩的优化研究

竖向预应力锚索抗滑桩是一种锚索从桩顶竖向穿过抗滑桩,直接嵌入基岩以下的新型抗滑桩。本文以某滑坡治理工程为例,采用数值模拟方法,研究竖向预应力锚索抗滑桩的内力,从桩长、锚固力、偏心距几个方面对竖向预应力锚索抗滑桩的桩身结构进行优化研究。模拟研究结果表明,其他条件不变时,竖向预应力锚索抗滑桩随着桩长的减小,桩身弯矩最大值变化不大,剪力最大值呈增大趋势; 随锚固力增加,桩身内力最大值均呈先减小后增大的趋势,表明选取合适的锚固力对桩身内力影响很大; 随着锚索偏心距的增大,桩身内力最大值均逐渐减小。优化结果表明,竖向预应力锚索抗滑桩锚固段比悬臂桩减少16.7%,桩身剪力最大值减少31.7%,桩身弯矩最大值减少41.1%。竖向预应力锚索抗滑桩是一种有应用前景的抗滑桩。     

三维圆柱型颗粒堆坍塌问题的全相态数值模拟

静态颗粒堆在重力作用下的坍塌问题, 是认识和理解许多人为过程和自然现象的基础. 采用传统方法进行模拟存在单颗粒追踪数量大、宏观模拟流变特性明显和相态演变复杂等计算难点. 本文从颗粒介质表现出不同相态的物理机理出发, 对全相态概念进行了定义并进行了区域划分. 根据颗粒介质的应力-应变关系及体积分数的不同, 通过确定不同相态之间的耦合关系和转化准则, 将描述各相态的现有理论有效结合起来, 建立了描述颗粒介质经历全部相态的耦合模型理论. 采用光滑离散颗粒流体动力学方法和离散单元法相耦合的策略, 对颗粒介质物理模型求解, 实现了对不同长径比下的三维圆柱型颗粒堆坍塌过程的数值模拟. 计算结果与实验结果吻合较好, 同时与离散单元法相比, 计算量得到了控制. 不仅捕捉到了不同参数影响下颗粒堆坍塌后沉积的不同现象, 同时获得了不同条件参数对颗粒堆坍塌后铺展特性的影响规律, 为揭示工业和自然界中广泛存在的颗粒介质复杂运动机理提供有效的支撑.      

预应力锚索抗滑桩设计中确定锚索预应力值的一种方法

在现有预应力锚索抗滑桩设计中确定锚索预应力值的各种方法的基础上 ,考虑了预应力锚索抗滑桩在工作期间承受滑坡推力的变化 ,提出将锚索、桩及桩锚固段周围岩土作为一个整体根据长期作用荷载来进行锚索预应力值计算的方法 ,对于短期作用的最危险荷载则在锚索与桩的承载力设计中予以考虑。算例分析表明 ,该方法能使锚索桩长期处于较为有利的受力状态 ,从而提高了其安全余量     

弹性地基梁理论在锚索抗滑桩计算中的应用

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针对目前锚索抗滑桩的内力计算通常未考虑滑面以上桩身与岩土体的相互作用关系,而将滑面以上桩身按一般静力结构或有限次超静定结构计算的现状。本文根据弹性地基梁理论,考虑锚索与桩的变形协调,将初参数法运用到锚索抗滑桩的计算中,通过选取合理的初参数作为未知量,得到了锚索拉力以及桩身内力的计算过程。并结合皖南地区某处产生滑移弯曲变形的顺层滑坡治理工程进行了分析,与传统方法计算结果相比,本方法所得内力值较大,偏于安全,桩身内力分布规律与传统方法所得结果较吻合。
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实散组合桩承载原理及应用

本文提出了实散组合桩概念,即一根桩由上下两段组成,上段是实体桩,下段是散体桩。这样就克服了散体桩通常桩头承载能力低的缺陷。本文对实散组合桩的受力概念进行了分析研究,给出了其承载力、沉降、临界桩长等计算方法和公式。最后介绍了首次工程实例。     

西部山区双排抗滑桩的机理及设计研究

将公路、铁路桥梁多排桩计算的结构力学方法引入到双排抗滑桩的计算中。与其不同的是,滑动面以上存在滑坡体,而桥梁的最大冲刷线以上没有考虑这种土体的存在对滑动面以下m法的影响。本文提出了滑动面以下考虑滑坡体存在的修改m法一和修改m法二。本文还对滑动面以上前排桩桩后及后排桩桩前的土压力计算进行了实验分析研究,认为滑动面以上后排桩桩前的土压力可按静止土压力计算,滑动面以上前排桩桩后的土压力按静止土压力计算,但要增加排桩间土体的下滑力。同时,用有限杆单元法对双排桩的连梁刚度进行了分析,当满足不相互影响排桩间距的情况下,桩顶连梁与桩的刚度比不小于0.48是合适的,此时再增加连梁刚度无意义。本文认为双排桩节省费用,而且抵抗变形的能力强,值得在工程中研究和广泛应用。     

分层总和法在群桩非线性分析中的应用——变形总和法

本文提出了分层土中承台－桩－土共同作用非线方法，分析了群桩的工作状态和破坏特性，讨论了荷载水平对桩土结点屈服顺序的影响，以及荷载由角桩向内桩的传递规律，桩土载体 分担等问题。并经实例验证，本文提出的群桩分析具有较好的可行性。     

三维轴对称基桩动力特性研究

针对目前基桩动力特性研究中把桩视为一维杆件的缺陷,采用三维轴对称模型,对基桩的动 力响应进行了更深入研究,并与一维杆件模型结果进行了对比. 结果表明桩的长径比对桩振 动的固有频率有影响,只在不考虑桩的高阶固有频率时,把桩视为一维杆件进行计算分析是 可行的;若只考虑前四阶固有频率,则只要桩的长径比大于3即可;桩-土刚度对桩振动的 第一、二阶固有频率有较大的影响,提出了由第一、二阶固有频率反算求出桩-土刚度,进 而求出桩的承载力的方法.