单排高桩基础竖向振动理论及应用研究

摘要

单排高桩基础常用于码头、桥梁这类结构物中。由于这类结构基础本身及所处环境的特殊性，容易遭受自然灾害或人为事故的破坏和损伤，在可能的损伤发生后，需要对基础的安全性能进行评估。对于在役基桩的检测问题，动力无损检测方法较为适用但仍缺乏完善的动力理论支持。另外，基础的动力理论是动力基础设计、基础抗震设计的重要依据，而目前针对单排高桩基础动力理论的研究较少。因此，开展单排高桩基础动力理论研究具有重要的意义。本文以Timoshenko梁理论及桩-土耦合振动理论为基础，采用解析方法较系统地研究了竖向动力荷载作用下单排高桩基础的振动特性。主要工作和成果如下:
　　1.考虑在梁上和在桩上竖向瞬态激振两种工况，基于Timoshenko梁理论和平面应变土体模型，借助Laplace变换推导了竖向瞬态激振下成层地基土中单排高桩基础动力响应频域解析解，并进而利用离散Fourier逆变换获得了对应的时域半解析解。通过与数值模拟结果及模型试验结果对比验证了所得解的合理性。在此基础上，研究了梁和桩几何参数、地基土力学参数、桩身缺陷特征对竖向瞬态激振下单排高桩基础动力响应的影响。
　　2.考虑桩竖向及横向振动与梁振动的耦合，利用积分变换推导了竖向瞬态激振下成层地基土中单排高桩基础动力响应频域解析解及时域半解析解。通过与数值模拟结果对比验证了所得解的合理性，并分析了在梁上不同位置和在桩上偏心激振对单排高桩基础瞬态动力响应的影响。在此基础上，进一步研究了桩横向振动对单排高桩基础瞬态动力响应影响的相关因素。
　　3.考虑桩侧土体三维波动效应及桩的横向惯性效应，并计及桩-桩侧土界面竖向和径向位移连续，利用积分变换推导了竖向瞬态激振下成层地基土中单桩及单排高桩基础动力响应频域解析解及时域半解析解。在此基础上，分析了横向惯性效应对完整桩及缺陷桩桩顶瞬态动力响应的影响以及横向惯性效应的相关因素，并讨论了横向惯性效应对竖向瞬态激振下单排高桩基础动力响应的影响。
　　4.考虑梁的柔性变形与桩竖向、横向变形的耦合以及邻桩之间的桩-土-桩动力相互作用，利用积分变换推导了竖向动力荷载作用下成层地基土中单排高桩基础竖向振动响应频域解析解。在此基础上，研究了梁柔性变形、桩横向变形以及桩-土-桩动力相互作用对单排高桩基础竖向振动特性的影响及相关因素。
　　5.在上述研究的基础上，提出两种能够在一定程度上消除上部结构及邻桩对受测桩低应变完整性测试结果影响的测试方法-虚拟隔离单桩法和泛频响应函数法。并通过已获得的竖向瞬态激振下单排高桩基础振动响应问题的解答及数值模拟验证了测试方法的合理性并分析了测试结果的影响因素。
　　本文研究对于单排高桩基础完整性评价及以单排高桩基础为基础形式的动力基础设计等问题具有重要的理论意义和工程应用价值。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 研究现状

1．2．1 单桩基础竖向振动理论研究现状

1．2．2 群桩基础竖向振动理论研究现状

1．2．3 高承台桩基完整性检测方法研究现状

1．3 本文的主要工作

第2章 竖向瞬态激振下单排高桩基础动力响应理论研究

2．1 引言

2．2 数学模型

2．2．1 几何模型及假设

2．2．2 梁-桩-土体系振动控制方程

2．2．3 定解条件

2．3 定解问题求解

2．3．1 单桩竖向振动问题

2．3．2 梁竖向振动问题

2．3．3 求解矩阵方程建立

2．4 与数值模拟结果对比

2．5 与模型试验结果对比

2．6 梁-桩-土竖向瞬态动力响应分析

2．6．1 完整桩工况下梁-桩-土参数的影响

2．6．2 桩身缺陷的影响

2．7 本章小结

第3章 考虑桩横向振动时单排高桩基础瞬态动力响应理论研究

3．1 引言

3．2 数学模型

3．2．1 几何模型及假设

3．2．2 梁-桩-土体系振动控制方程

3．2．3 定解条件

3．3 定解问题求解

3．4 对比与分析

3．4．1 梁上不同位置激振工况

3．4．2 桩侧偏心激振工况

3．5 桩横向振动对单排高桩基础瞬态动力响应影响的相关因素分析

3．6 本章小结

第4章 横向惯性效应对单排高桩基础竖向振动特性影响研究

4．1 引言

4．2 数学模型

4．2．1 几何模型及假设

4．2．2 梁-桩-土体系振动控制方程

4．2．3 定解条件

4．3 定解问题求解

4．3．1 桩侧土轴对称振动问题

4．3．2 单桩竖向振动问题

4．4 土层层间假设边界的精度及参数取值分析

4．5 横向惯性效应对单桩竖向振动特性的影响分析

4．5．1 完整桩工况

4．5．2 缺陷桩工况

4．6 横向惯性效应对单排高桩基础竖向振动特性的影响分析

4．7 本章小结

第5章 考虑桩-土-桩动力相互作用时单排高桩基础竖向振动特性研究

5．1 引言

5．2 数学模型

5．2．1 几何模型及假设

5．2．2 梁-桩-土体系振动控制方程

5．2．3 定解条件

5．3 定解问题求解

5．3．1 单桩竖向振动问题

5．3．2 竖向振动时桩-土-桩动力相互作用问题

5．3．3 单桩横向振动问题

5．3．4 水平振动时桩-土-桩动力相互作用问题

5．3．5 求解矩阵方程建立

5．4 对比与分析

5．4．1 梁和桩几何参数对单排高桩基础竖向动力特性的影响

5．4．2 桩-土-桩动力相互作用对单排高桩基础竖向动力特性的影响

5．5 本章小结

第6章 基于单排高桩基础竖向振动理论的承台下桩基完整性检测方法研究

6．1 引言

6．2 虚拟隔离单桩法

6．2．1 基本原理

6．2．2 基于解析解计算结果的虚拟隔离单桩法可行性分析

6．2．3 基于数值模拟结果的虚拟隔离单桩法可行性分析

6．2．4 虚拟隔离单桩法计算分析结果的相关影响因素分析

6．3 泛频响应函数法

6．3．1 基本原理

6．3．2 泛频响应函数法可行性分析

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 本文的主要研究结论

7．2 进一步研究工作的设想

参考文献

作者简介