改进的虚土桩法及其在非等截面桩纵向振动中的应用研究

论文摘要

目前,国内外研究桩与桩底土相互作用关系的模型,大多数是非连续模型,且缺乏对桩底土作用的研究。为了建立桩与桩底土的严格耦合关系,本文提出了一种改进的虚土桩法。并基于该方法,分析了桩底土对单桩纵向振动特性的影响,研究了焊缝在多级混凝土管桩完整性检测中的作用及不同条件下静钻根植竹节桩这一新桩型的动力特性。主要的工作与创新成果如下：（1）基于地基中圆形竖向荷载下的Mindlin附加应力,提出了考虑应力扩散效应的虚土桩法。进一步结合平面应变模型,通过Laplace变换和卷积定理等数学方法,求得任意激振力作用下的桩体振动频域响应解析解和时域响应半解析解。通过分析桩底土体参数对桩动力响应的影响,发现土体剪切模量是决定桩底支撑刚度的重要因素,土体模量提高,将引起桩底支撑刚度和阻尼显著增大。桩底土对桩身动力响应的影响存在临界厚度,约5-7倍的桩体半径,在此范围内,桩体刚度与桩底土层厚度成反比关系,阻尼与之成正比关系。（2）将虚土桩法从平面应变模型发展到轴对称连续土体模型中,考虑土体的径向和竖向两相位移,建立三维波动效应下的桩土体系纵向振动模型。通过引入位移势函数和Laplace变换的手段,采用分离变量法将竖向和径向位移进行解耦,进而通过阻抗传递法求得桩体的频域响应,通过Laplace逆变换得到桩体的时域响应。根据所求得的解,对比了轴对称连续模型与平面应变模型下虚土桩法的差异,发现轴对称模型能更好地反映桩土体系的自振频率。（3）提出了混凝土管桩焊接缝的简化模型,将影响焊缝质量的物理因素转化到等效的刚度体系中,从而实现了可对焊缝进行理论拟合的目的。借助本文所提出的虚土桩法,求得多级混凝土焊接管桩桩顶的动力响应。经过分析有效焊接断面、焊接高度等参数的大小对桩顶速度响应的影响,表明焊接深度不应小于5mm,焊缝高度宜控制在2mm范围内。实测数据的拟合结果表明,该简化模型能有效地反映焊缝质量对管桩反射波信号的影响,可为桩基完整性检测提供指导。（4）根据静钻根植竹节桩的成桩机理,确立了径向非均质理论与虚土桩法相结合的桩土动力模型。结合系数矩阵传递法,求得径向非均质土体下竹节形根植桩的桩顶动力响应。分析了竹节及桩周水泥土等对桩顶动力响应的影响,结果表明桩体刚度与竹节密度和竹节半径成正比,桩侧水泥土的硬化程度越高,桩顶刚度越大,阻尼越小,且泥浆的水泥配合比为40%时,性价比较高。通过对工程数据的反演拟合验证了桩侧水泥土的硬化规律。完善地模拟桩与桩底土的作用关系是本文的核心,即文中提出的虚土桩法。以此来解决工程中出现的实际问题是本文的目的。基于此,本文提出的新方法、得到的新结论可为桩基工程设计及检测工作提供参考。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 桩基振动理论研究现状
• 1.2.1 桩与桩侧土相互作用模型
• 1.2.2 桩与桩底土的相互作用模型
• 1.3 本文的主要内容
• 1.3.1 虚土桩模型简介
• 1.3.2 本文的主要内容
• 第2章 平面应变模型下基于Mindlin解的虚土桩纵向振动研究
• 2.1 引言
• 2.2 桩土相互作用的数学模型
• 2.2.1 虚土桩模型的分类
• 2.2.2 计算简图与基本假设
• 2.2.3 控制方程及边界条件
• 2.3 定解问题的求解
• 2.3.1 土层振动问题求解
• 2.3.2 桩振动问题求解
• 2.4 泡形虚土桩的确定方式
• 2.4.1 以附加应力分布线的数值为标准的模型（B-B模型）
• 2.4.2 以附加应力分布线水平变化率为标准的模型（B-T模型）
• 2.5 不同虚土桩模型下桩体的动力响应
• 2.5.1 以B-B模型为基础的桩体响应分析
• 2.5.2 以B-T模型为基础的桩体响应分析
• 2.6 基于平面应变的各类虚土桩模型对比分析
• 2.6.1 摩擦桩桩体复刚度响应分析
• 2.6.2 端承桩桩顶动力响应分析
• 2.7 工程实例分析
• 2.8 本章小结
• 第3章 三维轴对称模型下虚土桩的纵向振动研究
• 3.1 引言
• 3.2 桩土耦合振动模型的建立
• 3.2.1 计算模型与基本假设
• 3.2.2 桩土耦合振动控制方程
• 3.2.3 桩土体系的边界条件及初始条件
• 3.3 桩土耦合振动控制方程的求解
• 3.3.1 土体振动问题求解
• 3.3.2 桩身振动问题求解
• 3.4 精度分析
• n取值的精度问题'>3.4.1 关于g_n取值的精度问题
• S的精度分析'>3.4.2 关于K^S的精度分析
• 3.5 虚土桩部分对桩体动力响应的影响
• 3.5.1 虚土桩厚度的响应
• 3.5.2 虚土桩弹性模量的影响
• 3.5.3 桩体长径比的影响
• 3.6 轴对称模型与平面应变模型下虚土桩的特性比较
• 3.6.1 摩擦桩的动力响应比较
• 3.6.2 端承桩的动力响应比较
• 3.7 桩底土成层性对桩体复刚度的影响
• 3.8 本章小结
• 第4章 基于B-T虚土桩法多级焊接管桩的纵向振动特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 混凝土管桩焊接缝的模拟与简化
• 4.3 桩土相互作用体系的建立与求解
• 4.3.1 桩土计算模型与基本假设
• 4.3.2 控制方程及边界条件
• 4.3.3 振动问题求解
• 4.4 混凝土管桩焊接缝对桩顶动力响应的影响
• 4.4.1 焊缝深度对桩顶动力响应的影响
• 4.4.2 焊缝高度对桩顶动力响应的影响
• 4.5 工程实例对比
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于B-T虚土桩法的静钻根植桩纵向振动特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 径向非均质理论下基于平面应变模型的桩土纵向振动问题
• 5.2.1 数学模型
• 5.2.2 土体纵向振动方程建立及求解
• 5.2.3 桩纵向振动方程建立及求解
• 5.3 静钻根植竹节桩的动力响应特性分析
• 5.3.1 竹节对静钻根植桩动力响应的影响
• 5.3.2 桩底扩径尺寸对静钻根植桩动力响应的影响
• 5.3.3 桩周注浆对静钻根植桩动力响应的影响
• 5.3.4 浆液配比对静钻根植桩动力响应的影响
• 5.4 静钻根植桩桩顶速度波信号实例模拟
• 5.4.1 单节静钻根植桩实例拟合
• 5.4.2 多节静钻根植桩实例拟合
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文的主要成果
• 6.2 进一步的研究设想
• 参考文献
• 附录 浙江大学岩土工程学科历届博士学位论文目录
• 作者简介
• 作者攻读博士学位期间发表和录用的论文及专利