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。     

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。     

桩-土接触效应及对桥梁结构地震反应的影响

目前有关涉及桥梁桩基础地震反应的研究大多是基于桩与桩侧土体之间无相对滑动、位移保持协调的假定。本文针对地震作用下桥梁桩基础的接触面效应及其对结构地震反应的影响问题，以某桥梁工程为背景，通过在桩-土交界面处设置接触单元来模拟桩-土间的接触非线性，建立了土-桩-桥梁结构相互作用体系的三维分析模型。利用这一模型，分析了地震作用下桩-土交界面处的动力反应形态，探讨了桩-土间的接触非线性及其对桥梁结构地震反应的影响。初步分析结果表明：在强震作用下，桩-土间会产生较强的接触非线性，在本文模型中，这种非线性主要表现为桩-土交界面处的滑移；考虑桩-土间的接触面效应将使结构的位移反应结果较基于桩-土间位移协调的情形有所增大。     

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。     

用薄层法分析层状地基中各种基础的阻抗函数

薄层法是分析和模拟弹性波在层状介质中传播的一种半解析半数值方法.采用薄层单元和傍轴边界分别模拟层状地基和弹性半空间.利用薄层法位移基本解和容积法推导了层状地基中基础-地基动力相互作用方程及块式基础、桩基础和承台群桩基础阻抗函数的统一计算公式.通过计算半无限弹性地基中桩基础、块式基础和二层地基上基础的阻抗函数验证了方法的适用性.进而计算了某实际层状地基中承台群桩基础的阻抗函数,并与试验结果进行对比,两者吻合较好.本文方法可用于分析弹性层状地基中各种基础的阻抗函数.     

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。     

高层建筑风振时地基土材料阻尼比取值范围的初探

高层建筑风振响应分析中考虑土与结构相互作用后地基土的材料阻尼比幅值是多少,这是考虑土与结构相互作用对高层建筑结构风振响应有利还是不利的关键问题.通过对无桩基桩架-剪力墙结构的顺风向风振响应分析,发现考虑土-结构相互作用时结构基础底面土体的动剪应变幅值处于弹性应变范围,根据土动力学中土的动剪应变与土的阻尼比的关系,土体的材料阻尼比较小,其值不超过0.03,据此计算出相应的结构最大层间位移和结构顶层的最大加速度比将地基视为刚性的结构有较大增长;因此,在高层结构风振响应分析中应考虑土-结构相互作用的影响.文章通过实例分析给出无桩基高层建筑土体材料阻尼比的建议值,该研究为有桩基高层建筑的土体材料阻尼比的计算提供了借鉴.     

黄土地基中大直径超长群桩基础受力特性的模型实验研究

通过室内模型试验,对黄土地基中大直径超长群桩基础的承载-沉降关系、承台下土体附加应力的分布及发展、桩土承载情况以及不同位置桩的受力特性分别进行了研究。结果表明:黄土地基中大直径超长群桩基础荷载-沉降曲线呈缓变型且没有明显拐点,故群桩基础的极限承载力应综合沉降-时间对数s-lgt曲线和荷载-沉降Q-s曲线来确定。承台下土体附加应力分布为边缘大中心小。不同位置的桩承载性能不同,总体上是角桩(6#桩)最大,边桩(5#桩)次之,中心桩(1#桩)最小;同时各桩的桩侧摩阻力及桩身轴力沿桩长的变化也有所不同。     

黄土地基微型桩水平承载力及群桩效应研究

为了明确黄土地基微型桩水平承载力对上部结构安全性能的影响,本研究基于黄土地基微型桩现场静载试验,研究了桩长、桩径、桩身弹性模量及桩间距对微型桩水平承载力的影响;分析了沿基础深度的桩身水平位移和弯矩变化规律。并结合有限元分析了桩间距对群桩水平承载力的影响。研究结果表明：黄土地基微型桩基础弯矩较大的位置距桩顶4d～5d;桩径对微型桩水平承载力的影响较大,而桩长超过33d～35d后对其水平承载力的影响较小;当桩间距达到8d时,可以不考虑群桩效应对群桩水平承载力的影响。上述研究成果为微型桩在黄土地基中的应用提供了参考。     

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。     

复合地基承载特性的弹塑性分析

对桩及承台采用线弹性有限元模型,对承台下桩周土采用弹塑性有限元模型,对群桩以外的土体采用线弹性无限元模型,在桩土接触面上设置接触面单元,利用三维弹塑性有限元对桩%D土%D承台相互作用进行了分析。得出了如下结论 :承台下桩顶反力总体表现出角桩最大,边桩次之,中桩最小的分布规律,随着作用在承台上的荷载增大,桩顶反力趋于均匀分布,承台下桩侧摩阻力是由桩端向桩顶逐渐发展的,承台对桩上部侧摩擦阻力存在“削弱作用”。为了验证本文方法的可行性,对承台下有九桩的情况进行了静载试验,将试验结果与本文计算结果进行了比较。     

A CONSOLIDATION MODEL OF GROUP WELLS ON COMPOSITE FOUNDATION1)

针对复合地基固结问题,考虑井阻和土体径竖向渗流的影响,建立 以"桩-土-桩"为单元的复合地基群井计算模型,采用解析解法,推导出瞬时载荷作用下复合地基群井固结解析解,讨论了复合地基固结特点和孔压等的变化规律。研究表明,复合地基群井固结模型为复合地基固结理论的研究提供了一种新思路,在井径比大于5 时,基于中心桩、边桩流量相等假设,复合地基群井固结理论所求固结度和传统固结理论所求固结度相差很小,可忽略不计;桩体渗透系数、内外扰动区土体径向渗透系数、土体竖向渗透系数越大,复合地基固结速率越快;堆载越大,最终达到稳定时的沉降量和竖向应变越大;地基表层土体的孔压消散速率和竖向应变速率大于地基深部土体。     

基于DEM-FEM耦合方法的海上风机结构冰激振动分析

冰载荷是海上风机在寒区安全运行的重要影响因素之一,由其引发的冰激振动给风机结构带来了严重的危害. 本文通过离散元(discrete element method, DEM)-有限元(finiteelement method, FEM)耦合方法建立了寒区单桩式风机结构的 冰激振动模型.采用具有粘结-破碎性能的球体离散单元描述平整海冰损伤破坏行为,采用梁单元和三角形平板壳单元构造带有抗冰锥体的单桩式风机有限元模型.采用DEM-FEM耦合方法模拟不同冰速、冰厚条件下单桩式风机与平整冰相互作用过程,并且与IEC规范和ISO标准经验公式对比验证该耦合模型计算冰载荷的准确性.对比风机塔筒顶端和基础顶端的位移和加速度响 应时程,定性地给出风机结构不同部位振动响应行为差异性.风机不同部位动力特性差异原因为风机结构独特结构特点:下部为大刚度桩基和上部为高柔度塔筒,使其动力特征表现为主从式结构特性. “主-从式结构”特征使得结构在复杂的冰载荷作用下,风机塔筒(子结构)和桩基(主结构)表现为不同的响应行为,风机不同部位振动周期和加速度谱两者出现差异. 本文研究成果为海上风机抗冰设计和疲劳分析提供了有益参考.      

振动台模型试验中地基土域的数值模拟

针对土－结构动力相互作用振动台模型试验中有限地基土域的模拟问题，本文分别采用有限元法和边界元法对地基土模型的侧向人工边界和底部人工边界的合理位置问题进行了计算分析。文中首先采用三维有限元方法，探讨了地基土侧向垂直人工边界不同位置对群桩基础和箱形基础地震反应的影响，提出了侧向人工边界合理位置的具体建议；然后利用层土动力Green函数建立边界元模型，通过对埋入式条形基础的动力反应分析，探讨了底部水平人工边界的合理位置，提出了相应的建议。     

超载下桩锚支护基坑安全系数的计算分析

假设桩锚支护下基坑土体塑性变形破坏机构以及满足边界条件的合理机 动场，而不是传统方法中那样将土体离散为许多相对运动的刚性块. 运用土塑性力学中 极限分析法的上限定理从能量功率角度探讨了超载下桩锚支护基坑竖直边坡安全系数的计算 方法. 并以一工程为例，用FLAC数值分析软件的模拟结果对该方法进行了验证.     

室内模型实验中低强度桩侧应变片粘贴技术与应用

表面粗糙的桩与桩间土共同受力后发生相对位移,在低强度桩侧面有效粘贴应变片以测试轴力传递规律是一个难点.在组合群桩复合地基室内模型试验中,本文结合传统内贴法和外贴法两种贴片方式的优点,提出并采用凹槽法在低强度实心模型桩外侧面贴片,即在桩侧预留凹槽、用环氧树脂对贴片部位进行表层处理,在贴片后密封凹槽,并给出了典型测试结果.分析认为:凹槽法贴片技术有效可行,可供室内含桩地基基础模型试验借鉴.     

A simplified solution for piled-raft foundation analysis by using the two-phase approach

In common practice, the pile–soil–raft interaction still remains a challenging problem in the analysis of piled-raft foundations. In the present study, a simplified analytical approach is introduced to analyze a vertically-loaded piled-raft foundation by using a developed homogenization technique called the two-phase approach. In spite of classical and simplified methods in the literature, the proposed method considers the pile–soil interaction. The other major advantage is the ability to predict the axial pile load along the pile length. The problem is solved in the domain of elasticity and simple closed-form solutions are presented for the prediction of the settlement and the pile load sharing of a piled raft as well as the pile's axial force distribution along its length. The applicability of the proposed method is validated by considering case studies and field measurements. A comparison of the results indicates that the method can be utilized safely in a proper, quick, and effective manner with the least computational effort in comparison with sophisticated numerical approaches. The raft settlement can be accurately predicted while the pile load sharing might be over/under estimated. A parametric study is also carried out to investigate the response of piled-raft foundations including the influence of the parameters of the soil and the geometric characteristics of the piles.     

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。     

高速铁路CFG桩复合地基柔性载荷试验研究

高速铁路建设的迅速发展及高速铁路对路基沉降的严格要求,CFG桩在高速铁路路基的处理上得到大量运用。但铁路工程对路基的作用原理与工民建工程对地基的作用原理有本质的区别,工民建房屋建筑荷载通过基础对地基施加刚性荷载,而铁路路基直接承受上部路堤的自重和列车运行产生的柔性荷载。高速铁路CFG桩复合地基的设计都是根据工民建行业的设计理论进行,其试验结果必然与实际情况存在偏差。本文着手研究适合于高速铁路复合地基的柔性载荷试验方法,模拟高速铁路柔性加载的特性,通过数值分析对比了刚性荷载和柔性载荷作用下CFG桩复合地基的桩、土应力、位移分布情况;通过现场载荷试验对设计方案进行了验证,研究了高速铁路CFG桩复合地基的承载力特性,结果证明柔性载荷试验是可行的,能合理的模拟高速铁路CFG桩复合地基承载特性,可为柔性基础下CFG桩复合地基的设计提供基础。