移动荷载引起饱和土动力响应及排桩隔振研究

论文摘要

基于饱和土体Biot理论和半解析法,分析了移动荷载作用下均质、层状饱和土体动力响应,研究了排桩被动隔振效果。主要研究成果包括以下几个方面:1.利用Helmholtz矢量分解及积分变换解耦Biot动力方程,并由边界条件确定饱和土体位移、应力、孔压等频域内基本解。采用数值逆变换方法,得到饱和土体在时间、空间域的动力响应。考虑到引起土体动力响应的高速移动荷载存在高频成分,或层状土体层间差异较大等情况,采用了传递、透射矩阵法（TRM）分析具有任意速度的移动荷载引起层状饱和土体动力响应问题。通过与相关文献中已知的结果相比较,验证了本文算法的正确性,同时数值分析了荷载的移动速度、简谐荷载的频率、土体的参数及层状性等对饱和土体响应的影响。2.根据均质、层状饱和土体表面受移动荷载作用的基本解,建立了均质、层状饱和土体上无限长梁-土体系的等效刚度,分析了移动荷载的速度、频率、层状性等对无限长梁的挠度变形、弯矩和剪力等的影响。3.由Muki虚拟桩法及层状土体传递、透射矩阵法（TRM）,建立了单、群桩-层状饱和土体的第二类Fredholm积分方程,通过离散数值积分法求解积分方程,研究了桩顶轴向、水平简谐荷载作用下层状饱和土体中单、群桩的动力响应。数值结果表明:采用TRM法,能够有效克服高频、各土层性状差异大的引起的方程奇异问题,可以解决不同频率简谐荷载作用下层状饱和土体中桩的动力响应问题。计算结果也表明层状饱和土体中软、硬夹层对桩顶阻抗、桩侧周围的孔压有较明显影响。4.由饱和土体表面受移动荷载,瑞利波的自由波场解及内部简谐荷载作用下基本解,利用Muki虚拟桩法及积分方程方法,建立了频域内桩-土共同作用的第二类Fredholm积分方程,离散积分方程并采用傅立叶逆变换,得到评价隔振效果的位移幅值比,从而分析了饱和土体中排桩对瑞利波场、简谐荷载、移动荷载的被动隔振效果。对影响排桩隔振的因素:排桩桩长、刚度、桩间距及土体层状性等作了计算分析。采用半解析法避免了有限元法（FEM）、边界元法（BEM）需要在计算响应域进行节点划分问题,因此可极大提高计算机分析的效率。由数值结果分析可知:影响排桩隔振效果的主要因素包括:排桩桩长、间距、排桩的排数、桩土刚度比等。排桩的排与排间距对隔振效果没有明显影响。移动荷载的速度对排桩隔振效果影响是:低速时排桩隔振效果要比高速时好。另外,相同振源,相同隔振体系,排桩在饱和土体比弹性土体模型中计算的隔振效果要好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要创新之处
• 1.4 本文的研究内容介绍
• 第2章 移动荷载作用下饱和土体与无限长梁的动力响应
• 2.1 饱和土体表面受移动荷载作用下的动力响应
• 2.1.1 Biot 理论控制方程及Helmhotlz 矢量分解
• 2.1.2 均质饱和土体表面受移动荷载作用的基本解
• 2.1.3 层状饱和土体表面受移动荷载作用的传递、透射矩阵（TRM）法
• 2.1.4 饱和土体表面受移动荷载作用的时间-空间域内解
• 2.1.5 数值计算方法
• 2.1.6 数值验证与算例分析
• 2.2 移动荷载作用下饱和土地基上无限长梁的动力响应
• 2.2.1 移动荷载作用下均质饱和土地基上无限长梁的等效刚度
• 2.2.2 移动荷载作用下层状饱和土地基上无限长梁的等效刚度
• 2.2.3 移动荷载作用下无限长梁-土体系的时间-空间域内解
• 2.2.4 数值验证与算例分析
• 2.3 结论
• 第3章 桩顶简谐荷载作用下层状饱和土中桩基础动力响应
• 3.1 层状饱和土体内部受水平圆形均布简谐荷载作用下的动力响应
• 3.1.1 层状饱和土体的传递、透射矩阵法推导
• 3.1.2 数值验证与算例分析
• 3.2 桩顶轴向简谐荷载作用下层状饱和土体中单桩的动力响应
• 3.2.1 轴向简谐荷载作用下单桩-层状饱和土体系的第二类Fredholm 积分方程
• 3.2.2 数值计算方法
• 3.2.3 数值验证与算例分析
• 3.3 桩顶水平向简谐荷载作用下层状饱和土体中单桩的动力响应
• 3.3.1 水平简谐荷载作用下单桩-层状饱和土体系的第二类Fredholm 积分方程
• 3.3.2 数值验证与算例分析
• 3.4 桩顶轴向简谐荷载作用下层状饱和土体中群桩的动力响应
• 3.4.1 轴向简谐荷载作用下群桩-层状饱和土体系的第二类Fredholm 积分方程
• 3.4.2 数值验证与算例分析
• 3.5 结论
• 第4章 饱和土中排桩对瑞利波及简谐荷载的隔振研究
• 4.1 排桩对饱和土体中瑞利波的隔振效果研究
• 4.1.1 半空间饱和土在瑞利波作用下的波场解
• 4.1.2 均质饱和土内部受垂直、水平向圆形均布简谐荷载作用下的基本解
• 4.1.3 瑞利波场下饱和土体-排桩体系的第二类Fredholm 积分方程
• 4.1.4 幅值减小比定义
• 4.1.5 数值计算方法
• 4.1.6 数值验证与算例分析
• 4.2 层状饱和土体中排桩对简谐荷载振源的隔振效果研究
• 4.2.1 层状饱和土体-排桩体系的第二类Fredholm 积分方程
• 4.2.2 数值验证与算例分析
• 4.3 结论
• 第5章 排桩对移动荷载的隔振研究
• 5.1 粘弹性土体中排桩对移动荷载振源的隔振效果研究
• 5.1.1 Cole-Cole 粘弹性土体模型的基本解
• 5.1.2 移动荷载作用下的粘弹性土体-排桩体系的第二类 Fredholm 积分方程
• 5.1.3 幅值减小比定义
• 5.1.4 数值计算方法
• 5.1.5 数值验证与算例分析
• 5.2 均质饱和土体中排桩对移动荷载振源的隔振效果研究
• 5.2.1 移动荷载作用下均质饱和土体-排桩体系的第二类Fredholm 积分方程
• 5.2.2 数值验算与算例分析
• 5.3 层状饱和土体中排桩对移动荷载振源的隔振效果研究
• 5.3.1 移动荷载作用下层状饱和土体-排桩体系的第二类Fredholm 积分方程
• 5.3.2 数值验证与算例分析
• 5.4 结论
• 第6章 总结与展望
• 附录
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文目录
• 致谢