无杆钻具与灌注桩孔土体相互作用动力学分析和试验研究

摘要

无杆钻具由于其特有的结构形式和施工优势而吸引了越来越多的学者和工程技术人员的关注，但以往的研究多侧重于其构造形式与具体应用，对无杆钻具与灌注桩孔土体相互作用的动力学特性则研究甚少。在结构设计过程中，通常假定地基为刚性，这种刚性地基假设对于工作场地为基岩或坚实场地土而言是合理的。大量的理论分析和工程实践表明，在场地土质较软的情况下，结构—土体相互作用对结构的动力特性具有十分重要的影响。本文将无杆钻具与土体作为一个整体进行研究，考虑土体的动刚度对无杆钻具工作特性的影响，通过理论分析和试验研究认识结构-土体动力相互作用机理，为无杆钻具的实践应用提供方便、快捷和适合工程实际的计算方法和指导，也为考虑结构-土体动力相互作用的结构设计提供理论支撑。
　　本研究主要内容包括：⑴从结构-土体相互作用的研究现状入手，通过对已有研究方法与成果的概括、总结和归纳，在对已有方法的局限性和优缺点进行分析基础上，结合无杆钻具这种特殊结构与灌注桩孔土体的相互作用，提出相应的基本假设和计算分析框架。⑵通过对螺旋钻头钻进过程中受力状态的详细分析，得出无钻杆钻具工作过程中受到的贯入阻力和阻力矩，进而得到支护装置每块支护板在各个方向的受力状态。为考虑灌注桩孔对孔壁土体稳定性的影响，提出利用虚拟土柱模拟桩孔，并基于广义 Mindlin解求解在预应力作用下，支护板下方孔壁土体稳定性的方法。在此基础上，采用集总参数法和拉格朗日方法建立无杆钻具与土体相互作用的动力学方程。⑶利用数值流形方法在相同单元数情况下求解精度较高的特点，对无杆钻具支护板和灌注桩孔壁土体分别采用零阶基函数与一阶基函数，进而建立能够模拟支护板与孔壁土体之间接触模型的等厚度三维接触单元，并利用虚位移原理详细推导该等厚度三维接触单元的刚度矩阵。引入瑞利阻尼模拟支护板与孔壁土体动力接触模型中的能量耗散，分别编写静力和动力接触流形元程序，通过与静力和动力接触模型试验结果的对比验证所建立等厚度三维接触单元的求解精度和工程实用性。⑷利用Voigt模型模拟灌注桩孔壁土层之间的相互作用，分别建立无杆钻具支护板—灌注桩孔土体在各个方向上严格耦合的动力相互作用模型。采用Fourier变换和分离变量法分别得到土体在纵向、横向和扭转方向上的振动位移解析解。采用积分变换法求解支护板的动力振动方程，得到其频率响应解析解。利用 Fourier逆变换和卷积定理求得半正弦脉冲激励作用下支护板各向速度时域响应的半解析解。通过与试验结果的比较，验证所作基本假设的合理性和理论推导结果的正确性。由所求得的动力阻抗函数，详细讨论不同土体参数和支护板设计等参数对支护板在各方向上动力阻抗函数的影响。⑸研制无杆钻具样机，并对其与灌注桩孔土体的相互作用进行试验研究，利用所建立的接触单元得到无杆钻具与孔壁土体之间的接触边界条件，在此基础上得到无杆钻具与灌注桩孔壁土体在纵向、横向和扭转方向上的动力阻抗函数。将等效动刚度代入无杆钻具—灌注桩孔土体相互作用的动力学方程并求解，得到其在纵向、横向和扭转方向上的动位移。通过与试验值比较，验证所建动力学模型的正确性。在此基础上，详细分析无杆钻具钻速和进给速度的变化对其动力学特性的影响。

目录

第1章 绪 论

1. 1 课题背景及研究的目的和意义

1. 2 国内外研究现状和分析

1. 3 本文的主要研究内容

第2章 无杆钻具与灌注桩孔土体相互作用稳定性分析与动力学建模

2.1 引言

2.2 灌注桩孔土体材料性质

2.3 无杆钻具受力分析

2.4 灌注桩孔土体在预应力作用下的稳定性分析

2.5无杆钻具与灌注桩孔土体相互作用动力学建模

2.6 本章小结

第3章 无杆钻具与灌注桩孔土体相互作用接触模型的研究

3.1 引言

3.2 数值流形方法概述

3.3 结构与土体界面模型概述

3.4 等厚度三维接触单元结构

3.5 接触单元嵌入准则

3.6 无杆钻具与灌注桩孔土体动力接触模型研究

3.7 无杆钻具与灌注桩孔土体接触模型试验验证及分析

3.8 本章小结

第4章 无杆钻具与灌注桩孔土体相互作用动力阻抗函数研究

4.1 引言

4.2无杆钻具与灌注桩孔土体相互作用纵向动力阻抗函数研究

4.3无杆钻具与灌注桩孔土体相互作用横向动力阻抗函数研究

4.4无杆钻具与灌注桩孔土体相互作用扭转动力阻抗函数研究

4.5 本章小结

第5章 无杆钻具与灌注桩孔土体相互作用动力学特性试验研究

5.1 引言

5.2 试验目的及内容

5.3 试验设计与制作

5.4 试验主要结果与验证

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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