非均匀截面桩及其带承台（梁）时的动力特性研究

摘要

随着桩基运用的范围越来越广泛，为了提高桩基的承载性能，非均匀截面桩逐渐被应用到工程使用中并表现出优于传统均匀截面桩的性能，但目前采用解析法对非均匀截面桩动力特性的研究还较少。另一方面，实际工程中桩基是和上部结构连接在一起投入使用的，它们往往都与一定质量体积的承台或梁结合投入工程使用，带承台（梁）桩基往往还受到动荷载如风浪、车辆荷载以及船只的撞击从而导致桩身截面的开裂，同时已经服役较长时间的桩基由于腐蚀的作用也容易导致桩身某些部分损坏从而变成非均匀截面桩，对于这类桩基而言，传统的桩基完整性测试方法如静荷载试验法、高应变测试法和声波透射法等并不适用。鉴于此，本文研究了考虑桩周土竖向作用的楔形桩、带承台楔形桩的动力特性，并研究了低应变测试对于缩颈或扩径桩、带承台的缩颈或扩径桩、变截面桩-梁系统中的应用问题。主要工作及成果如下： （1）将桩土系统划分为数量足够多的微元层，并修正了传统的阻抗函数递推法（AIFTM）。利用修正的阻抗函数递推法（AIFTM），求得了桩顶的阻抗函数。将所得解与经典解对比，分析了在低频域内桩周土的竖向作用与桩土系统参数对桩顶动刚度和动阻尼的影响的耦合作用。 （2）基于复刚度传递多圈层法，求出桩侧土对桩身的剪切刚度，再利用修正的阻抗函数递推法（AIFTM）求得大直径楔形桩桩顶的阻抗函数。将所得解与已有解进行了比较。研究了在桩顶不带承台时施工扰动效应造成桩周土挤密和软化这两种情况下，桩周土竖向作用与施工扰动效应的耦合作用。接着探讨了不考虑施工扰动效应的情况下桩土系统参数对承台动力特性的影响以及施工扰动效应对承台动力特性的影响。 （3）通过将桩周土层间的相互作用采用径向均布的Voigt模型来模拟，针对缩颈桩提出了土环桩法（RSPT），扩颈桩利用前面提出的修正的阻抗函数递推法（AIFTM），提出了缩颈和扩颈桩在瞬态激振下的运动的半解析解。对比了所得解与忽略桩身变截面与土相互作用的解。并分析了桩身变截面与土的相互作用对低应变测试中缩颈和扩颈桩桩顶速度时域响应的影响。 （4）提出了考虑桩身变截面与土相互作用的带承台大直径变截面桩的桩土相互作用模型，求得了不带承台时桩顶速度响应时域内的半解析解以及带承台时承台顶部的速度响应时域内的半解析解。将不带承台时所得解与不考虑横向惯性效应的解进行了对比，并分析了桩顶不带承台时桩土参数与桩身横向惯性效应的耦合作用，接着探讨了低应变测试应用于变截面桩-承台系统的适用性以及需要注意的问题。 （5）在前面的研究基础上，利用半解析方法对动力荷载作用下变截面桩-梁系统的特性进行了研究，探讨了低应变法在应用于变截面桩-梁系统时瞬态激振时的最佳拾振位置，同时采用参数分析的手段研究了低应变法在应用于缩颈桩-梁系统时需要注意的问题，为低应变法应用于变截面桩-梁系统奠定了理论基础。 本文所做工作发展了非均匀截面桩的动力特性研究，同时对低应变测试在非均匀截面桩以及相应的桩-梁系统中的应用具有重要的指导意义。

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