双参数层状地基中水平动荷载和扭转振动组合作用下受荷桩受力变形分析

为了更准确地分析桩顶在承受水平动荷载H(t)和扭转振动T(t)组合荷载作用下的受力变形特性,基于Pasternak模型,考虑多向荷载间的相互作用,建立层状地基中H(t)-T(t)受荷桩简化分析模型。利用有限杆单元法推导出桩身内力位移数值解,并与已有相关理论解、模型试验和有限元模拟结果进行对比验证。参数分析表明:(1)与Winkler模型计算结果相比,考虑土体剪切效应后,桩顶水平位移和桩身最大弯矩分别减小了11.8%和10.5%。(2)增大外荷载无量纲频率可减小桩身水平位移和弯矩,但同时会减小H(t)-T(t)耦合刚度。(3)在层状地基中,表层土对桩身内力位移的影响最大,且存在临界影响深度,表层硬土的临界影响厚度是表层软土临界影响厚度的3.5~6.5倍。(4)采用杆单元模型可减少单元划分数量和计算时间,有效提高计算效率。

层状地基土水平抗力比例系数反演的杂交粒子群算法

土的水平抗力比例系数是基坑支护结构变形计算的重要参数,针对层状地基土中水平抗力比例系数反演的多目标优化问题,结合支护结构水平位移实测值和杆系有限元法,提出基于粒子群算法(PSO)的层状地基土水平抗力比例系数反分析法。给出水平抗力比例系数和目标函数精度双控的反演计算收敛条件和水平抗力比例系数最优解稳定条件。在利用基坑工程数值模型验证反演参数准确性基础上,运用工程实例进一步验证杂交粒子群算法(breedPSO)在水平抗力比例系数反演计算中的适用性。对比分析优化方法的计算效率和反演参数的收敛特性。结果表明:杂交粒子群算法具有更高的计算效率和计算精度,为合理反演水平抗力比例系数提供了有效途径。

层状地基中海洋大直径管桩水平动力响应分析

考虑桩−海水−层状土相互作用,研究了水平动荷载作用下层状地基中海洋大直径管桩的动力响应特性。将海水视为无黏性可压缩流体介质建立桩周、桩芯海水的运动方程,通过分离变量法并结合海水的边界条件求得桩周、桩芯海水作用在管桩上的动水压力。将海床土体视为黏弹性介质并考虑其成层非均质性,利用微分变化并结合土体振动边界条件解得桩周、桩芯土体作用在管桩上的水平抗力。进而根据各桩段上水平力的平衡建立管桩控制方程,利用传递矩阵法并结合桩身的连续条件以及桩顶、桩底的边界条件,得到层状海床土中海洋大直径管桩的水平动力响应解析解,给出了桩顶位移解析表达式。将所得解与有限元模拟结果以及退化解与已有文献解进行对比,验证了本研究计算方法的合理性。并基于所得解分析了管桩−海水−层状土系统水平动力响应对动水压力、水深、土体模量、土层厚度等关键参数的敏感性。

具有不规则界面的层状地基三维动力响应的薄层法

天然地基通常含有不规则的分层界面。对此,提出了一种计算具有不规则界面的层状地基三维动力响应的薄层法,推导了简谐点源作用下不规则分层半空间三维动力问题的基本解。基于双重Fourier变换,获得弹性介质在频域-波数域内的薄层单元系统控制方程;利用模态叠加原理,推导了半无限长和有限长薄层单元的刚度矩阵,引入完美匹配层模拟波向底层半无限空间的传播,从而构建可考虑土层界面沿横向不规则分布的三维层状地基计算模型,获得了简谐点源作用下不规则分层地基三维动力问题的基本解;通过与既有方法的对比分析,验证了新方法的正确性。最后,利用该方法计算了具有倾斜分层界面的双层地基在简谐荷载作用下的动力响应,结果表明:界面倾斜导致的动力响应差异大,且随着倾斜度以及荷载频率的增加而变大。在进行天然地基的动力分析时,需考虑地基的不规则分层特性导致的振动响应差异。

移动荷载下各向异性层状地基-柔性路面结构动力响应的半解析解

提出了移动荷载作用下各向异性层状地基上柔性路面结构动力响应分析的半解析解法。基于土-结构相互作用理论,建立了柔性路面-层状地基的动力耦合模型。对近场道路结构建立波数域有限元模型,基于精细积分及谱元法原理建立远场地基的谱元模型,利用子结构法来确定近-远场耦合界面处的边界条件,进而实现近场和远场结构的耦合,利用快速Fourier变换获得柔性路面在时空域的动力响应解答。该文方法既可以考虑道路结构的几何特性,也可以计入地基层状分布及各向异性特性的影响。近场有限域模型尺寸不会受到地基层数及层厚的影响,数值求解稳定。通过与解析解的对比,验证了提出方法的有效性与合理性。数值算例对比分析了道路-地基耦合模型与以往整体层状道路模型所得动力响应的差异,并讨论了道路结构层弹性模量的影响规律。

层状地基下桩基失稳的能量法解答

按“c法”这一地基系数模式分层考虑桩周土的水平抗力,同时计入桩身自重及侧摩阻力的作用,建立了层状地基下的桩土体系总势能方程,并采用能量法对桩基的失稳临界荷载解答进行了推导。结合某一具体算例,计算了桩基的失稳临界荷载,判断桩基是否会发生失稳破坏。结果表明:既定挠曲函数的收敛半波数为17,此时桩基的失稳临界荷载为4.57×10^(6) kN,大于桩基发生强度破坏时的极限承载力。

层状地基群桩沉降计算的剪切位移解析算法

考虑群桩的"束缚作用",基于剪切位移法的理论,提出了竖向荷载作用下用于层状地基大规模群桩沉降分析的简捷实用的解析算法。以单桩位移积分方程为基础,导出了桩顶位移与轴力和桩底位移与轴力之间的关系,考虑桩-桩相互作用,得出了计算群桩沉降的柔度矩阵方程。推导过程中,桩被分成任意n段,因此该方法可以用于地基土任意分层的群桩沉降计算。算例分析表明,该方法与边混合法和界元法有较好的一致性。

层状地基静压桩贯入过程机理试验

通过在多层软粘土地基中静力压入单桩的室内模型试验,对模型桩在整个沉桩过程中压桩力、桩动端阻力及桩动侧阻力随桩贯入深度的变化情况进行了研究,获得了桩在贯入不同土层分界面时阻力的变化规律以及桩周土体应力的分布特征。并对开口管桩和闭口管桩贯入试验情况进行了比较分析,揭示了不同桩端形式桩在贯入过程中桩动侧摩阻力的发展规律,以及分层土体中开口管桩贯入过程中土塞的变化情况。试验结果表明:在粘性土中沉桩时,压桩阻力主要来自桩端向下穿越土体产生的端阻力,而侧摩阻力较小;由于桩侧水平应力的释放使得同一深度点上的动摩阻力随着桩的下沉表现出不同程度的降低,出现摩擦疲劳。

层状地基中桩静载试验数据的拟合分析

采用线弹性-塑性荷载传递函数，导出了成层地基中桩的轴向荷载-沉降曲线的解析递推公式。通过拟会实测Q-S曲线，可得到桩上系统的工程力学参数，并由此计算得到桩身轴力及侧摩阻力分布曲线。经许多工程验证，该方法有广泛的适用性及较高的分析精度，对分析桩的荷载传递机理、指导桩的工程设计及工程测试具有实用价值。

层状地基中考虑桩端应力扩散的单桩沉降计算

针对现行单桩沉降计算方法没有考虑桩端应力扩散效应的问题,基于虚土桩模型,提出一种考虑桩端应力扩散效应时层状地基中的单桩沉降计算方法.在土层处于弹性状态下,桩侧土采用双折线模型,桩端土采用虚土桩模型并考虑应力扩散效应,利用荷载传递法,推导出层状地基中考虑桩端应力扩散效应时的单桩沉降计算公式.进一步讨论了该方法中弹性极限位移、弹性抗剪切刚度系数、桩端土厚度和应力扩散角等参数对单桩沉降的影响.结合工程实测数据,对比了该方法计算的荷载-沉降曲线、由规范方法得到的荷载-沉降曲线和实测曲线,结果表明:考虑桩端应力扩散效应时单桩沉降计算方法计算得到的桩顶沉降值与实测值较为吻合,实际工程应用优于规范法.

层状地基中的单桩沉降分析

对轴对称弹性力学方程进行Ｈａｎｋｅｌ变换，并利用传递矩阵方法得出层状地基在内部轴对称荷载作用下的位移解。利用此解析解建立了求解层状地基中单桩沉降的计算方法，并与Ｐｏｕｌｏｓ，Ｒａｎｄｏｌｐｈ和Ｗｒｏｔｈ，Ｒａｊａｐａｋｓｅ等人的经典解答进行了比较。

层状地基中群桩竖向振动及动内力

采用Gazetas和Makris通过拟合有限元计算结果所得到的弹簧系数和阻尼系数,基于动力Winkler地基模型和传递矩阵法,提出了一种分析层状地基中单桩和群桩竖向振动特性的简化方法.在考虑了“被动桩”和周围土体之间的相互作用的情况下求解层状土层中的桩桩动力相互作用因子.在这基础上,计算群桩竖向动力阻抗以及群桩中单桩桩身动内力,通过相关算例分析验证了方法的适用性.

隧道开挖对层状地基中邻近管道影响的DCBEM-FEM耦合方法

目前,在城市地铁隧道施工中常常遇到邻近市政管线的影响。而较多的研究集中在隧道施工引起的周围地层变形上,考虑邻近管线作用的隧道开挖理论分析方法并不多见。为此,针对隧道洞周引入椭圆化非等量径向土体位移控制模式,将邻近管线视为Euler-Bernoulli梁,同时将层状地基土体视为弹性层状地基模型,提出了层状地基中隧道开挖引起邻近管道纵向变形的DCBEM-FEM(位移控制边界元与有限元)耦合分析方法。最后结合现场实测数据和位移控制有限元数值模拟进行分析,验证了本文方法的有效性。研究表明:DCBEM-FEM耦合方法可以较好的体现隧道开挖所引起的地层损失问题,同时本文方法在考虑邻近管线作用时具有较好的计算精度。研究成果可为合理制定城市地铁隧道施工对邻近管线的保护措施提供一定的理论依据。

层状地基中单桩负摩擦问题积分方程解法

利用Biot固结理论和积分方程方法研究了表面有堆载的层状地基中单桩负摩擦问题。根据层状饱和土的圆形载荷基本解得出了单桩在圆形均布载荷作用下在时间域内的第二类Fredholm积分方程组。运用Laplace变换对上述积分方程组进行简化。再结合传递和刚度矩阵传递到各个层中去,对变换域内的积分方程采用Schapery逆变换方法得到时域内单桩的近似积分方程。求解积分方程组并进行相应的数值逆变换,就可得出层状地基中的单桩在表面圆形均布载荷作用下的位移、轴力、孔压和桩侧摩阻力随时间的变化情况。计算结果表明,桩侧剪力和孔压分层明显。

层状地基中考虑桩侧水泥土与土的静钻根植桩单桩沉降计算

基于荷载传递法和虚土桩模型,推导层状地基中考虑桩周、桩端土层分布和桩身-水泥土-土体相互耦合作用的静钻根植桩单桩沉降计算公式,并进一步讨论弹性极限位移、弹性抗剪切刚度系数、虚土桩长度等参数对单桩沉降的影响。最后利用静载试验实测数据,对比该计算方法的荷载-沉降曲线。研究结果表明:考虑土层分布及土和水泥土对桩体沉降影响的单桩沉降计算方法计算得到的桩顶沉降值与实测值较吻合,在实际工程应用中优于目前桩基设计规范的方法。

层状地基中隔振沟对移动列车荷载隔振研究-2.5维IBEM方法

建立层状地基-轨道-隔振沟耦合动力系统,采用2.5维间接边界元方法 (IBEM)研究了层状地基中隔振沟对移动列车荷载下地基振动的隔振问题。采用子结构方法,将系统分解为含隔振沟的层状地基和轨道子结构,采用2.5维IBEM方法求得含隔振沟层状地基在移动均布荷载作用下的层状地基柔度,然后通过地基表面轨道中心点的竖向位移与轨道竖向位移相等将轨道和层状地基耦合。通过与已有结果的比较验证了方法的正确性,并对不同地基、隔振沟参数下的模型进行了算例分析。研究表明:不同地基模型下隔振沟有不同的隔振效果,且隔振沟深度及其与轨道距离均对隔振效果有不同程度的影响。通过对瑞典X2000高速列车在实际软土地基上的隔振计算发现,隔振沟的隔振效果随着沟深的增加而增大,且相对低频区域而言,隔振沟对高频区域的隔振效果更好。

层状地基中盾构隧道开挖非均匀收敛引起临近管道变形预测

采用弹性层状地基模型来考虑地基土体的非均质性,并针对隧道开挖边界引入椭圆化非等量径向土体位移模式;采用基于位移控制技术的边界单元方法来求解土体自由位移场,提出层状地基中盾构隧道开挖非均匀收敛引起临近管道变形影响的位移控制分析方法。结合位移控制有限元数值模拟和既有离心模型试验结果进行对比分析,验证该方法的有效性。算例分析结果表明,土体自由位移场计算对管道纵向变形性能的评估具有较大影响;对于非均质层状地基,如果采用以往的将不同土体参数近似折算成平均值,进而按照弹性均质地基进行求解会带来较大的计算误差。研究成果可为合理制定城市地铁隧道施工对周围环境影响的保护措施提供一定理论依据。

层状地基中考虑固结和流变的垂直单桩的理论分析

利用积分方程求解了考虑固结和流变的层状饱和土地基中的垂直受荷单桩问题 .为了求解该问题 ,首先利用层状饱和土的圆形载荷基本解 ,建立了时域内层状饱和土地基中单桩的积分方程 .对所得的积分方程进行Laplace变换 ,得到变换域内的积分方程 .对变换域内的积分方程采用Schapery逆变换方法得到时域内单桩的近似积分方程 .数值求解所得的积分方程可以得到桩的沉降、轴力。

横观各向同性层状地基上埋置刚性条带基础动力刚度矩阵求解

提出了求解横观各向同性层状地基埋置刚性条带基础动力刚度矩阵的精确算法。算法利用空间变换方法求解得到了横观各向同性层状地基表面或内部任意点的动力位移响应,针对开挖基础求解开挖区域内节点群的动力柔度矩阵,最后利用容积算法求解埋置刚性条带基础动力刚度矩阵。此算法采用精细积分算法求解频率–波数域内层状地基的动力柔度系数,对层状地基的层数和厚度均没有任何限制。此外,算法基于维数较小的矩阵(2×2)运算,数值计算稳定,求解效率较高,数值算例验证了所提算法的精确性及对横观各向同性多层地基的广泛适用性。

层状地基中群桩的水平振动特性

采用动力Winkler地基模型模拟桩土之间的动力相互作用,并运用传递矩阵法考虑地基土的分层特性,提出了计算层状地基中单桩和群桩动力阻抗函数的一种简化方法。在计算动力相互作用因子时考虑了“被动桩”与周围土体之间的相互作用。最后将相互作用因子和群桩阻抗的本文解与精确解进行了对比,同时与有关现场试验结果作了比较,验证了本文方法的有效性。