变截面大直径桩-饱和土耦合振动研究及实验分析

摘要

本文基于平面应变模型得到桩侧土复刚度，分别建立了变截面大直径桩-饱和土耦合振动模型和扩底大直径桩-饱和土耦合振动模型，获得了所建模型的理论解，并以数值模拟方法和室内模型试验方法对上述理论模型得到的理论解进行对比验证，证明了本文理论模型建立的正确性。本文的主要工作分为以下几个方面： （1）建立变截面大直径桩-饱和土耦合振动模型。根据多孔介质理论和Novak薄层法建立饱和土动力控制方程，得出桩侧饱和土体对桩身作用的复刚度，桩底采用粘弹性支承，将桩身按截面大小分为若干段，并将每段都视为Rayleigh-Love杆来考虑其横向惯性效应。利用拉氏变换并结合初始，边界，连续条件和阻抗函数递推法得出桩顶阻抗和桩顶速度频域解析解，再通过卷积定理和逆傅里叶变换得出桩顶速度时域半解析解。并分析了桩侧土存在软硬夹层、桩身出现变截面以及变截面段桩长度和位置发生变化时对变截面大直径桩桩顶动力响应的影响。 （2）建立扩底大直径桩-饱和土耦合振动模型。根据多孔介质理论和Novak薄层法建立饱和土动力控制方程，得出桩侧饱和土体对桩身的作用的复刚度，桩底采用粘弹性支承，将大直径段桩和扩大头段桩分别分为若干段并将每一段桩都视为Rayleigh-Love杆来考虑其横向惯性效应。利用拉氏变换并结合初始，边界，连续条件和阻抗函数递推法得出桩顶阻抗和桩顶速度频域解析解，再通过卷积定理和逆傅里叶变换得出桩顶速度时域半解析解。并分析了桩侧土体水的体积分数、桩侧土体的剪切波速、扩大头段桩的扩散角和桩长对扩大头大直径桩桩顶动力响应的影响。 （3）使用ANSYS软件进行有限元建模。详细分析了桩侧土存在软硬夹层、桩身存在变截面以及变截面段桩长度和位置对大直径桩桩顶动力响应的影响以及桩侧土体水的体积分数、桩侧土体的剪切波速、扩大头段桩的扩散角和桩长等因素对扩底大直径桩桩顶动力响应的影响。再将本文理论解与有限元数值解进行对比分析，验证了本文理论解的正确性。 （4）开展室内模型试验。制备完整桩、缩颈桩以及扩颈桩三根模型桩，并分别对3根桩进行低应变动测试验，提取得到桩顶的速度时间曲线。通过反演和拟合，将试验解与理论解分析比对，进一步验证本文理论解的正确性。

目录

第一章 绪论

1.1 选题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

1.4 技术路线图

第二章 变截面大直径桩-饱和土耦合振动研究

2.1 引言

2.2 数学模型与基本假定

2.3 饱和土体的动力响应

2.4 变截面大直径桩的纵向振动方程

2.5 相关参数对桩顶动力响应的影响与分析

2.6 本章小结

第三章 扩底大直径桩-饱和土耦合振动研究

3.1 引言

3.2 数学模型与基本假定

3.3 饱和土体的动力响应

3.4 扩底大直径桩的纵向振动方程

3.5 相关参数对桩顶动力响应的影响与分析

3.6 本章小结

第四章 大直径桩纵向振动数值计算分析

4.1 引言

4.2 ANSYS简介

4.3 以ANSYS进行有限元分析的步骤

4.4 变截面大直径桩ANSYS计算解和理论解对比分析

4.5 扩底大直径桩ANSYS计算解和理论解对比分析

4.6 本章小结

第五章 变截面大直径桩室内模型试验

5.1 引言

5.2 试验目的

5.3 试验器材与设备

5.4 试验方案

5.5 试验结果分析

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

图表目录

致谢

作者简介

攻读硕士期间发表的论文