土层剪切刚度沿深度非线性变化的桩—土水平相互作用分析

论文摘要

随着我国城市建设的迅速发展,桩基凭借其自身的优点（承载力高,抗震性能好）使用日益广泛。桩基抗震性能即桩-土体系的动力特性研究受到普遍关注。本文研究剪切刚度沿深度呈非线性变化桩-土体系在水平稳态振动下的相互作用。讨论桩的长细比、激振频率、泊松比、阻尼、波速比、土层剪切刚度非线性系数β等无量纲参数对桩-土体系动力相互作用影响规律。将土层模拟成剪切刚度沿深度呈指数分布的弹性体,利用Novak平面应变理论分析方法,建立桩-土体系动力相互作用分析模型。首先通过对土层波动方程得到水平稳态振动下与频率相关的土层阻抗复函数解析解。将得到的土层阻抗函数转化为无量纲形式,讨论其涉及的诸参数对土层阻抗因子的影响,在研究中发现,在低于共振频率的区域中,振型对土层刚度影响最大,但在高频域中土层刚度则和振型无关,土层刚度趋于一个常数。土层的阻尼特性受桩的长细比影响较大。土层的阻抗的变化率随泊松比增大而增大,随桩的长细比、材料阻尼增大而减小。土层剪切刚度非线性系数β越大对土层刚度的影响越明显,但这种现象仅限于小振型、低频率的情况,随着振型、频率的增大,β的影响将变得不很明显。其次利用得到的土层阻抗结合桩的动力方程,求得桩的动刚度。通过对涉及的诸参数讨论得到以下有意义的规律。对于短桩、软土和小阻尼情况复刚度实部随频率的变化很明显;对于长桩、硬土和大阻尼情况复刚度实部随频率变化则显得平缓得多。在低于土层固有频率的区域内,材料阻尼对刚度的影响明显。在高于土层共振频率的区域内,较大的材料阻尼使得刚度随频率的增长而衰减变得更明显。在共振区β对动刚度有明显的放大效应,但在高于共振频率的区域内不同β对动刚度的影响差别迅速消失。而β对动阻尼几乎没有影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的确定及研究意义
• 1.2 国内外研究理论和现状
• 1.2.1 单桩-土动力相互作用研究
• 1.2.2 群桩-土的相互作用研究
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 基础振动半空间理论概述
• 2.1 基础振动简介
• 2.1.1 一般术语
• 2.1.2 谐和振动的描述
• 2.1.3 振动的分类
• 2.2 基础振动计算模型概述
• 2.3 半空间表面在竖向集中谐和力作用下的解
• 2.4 假定基底反力分布的基础谐和振动解
• 2.4.1 基底位移与反力的关系
• 2.4.2 竖向谐和力作用下基础的振动计算
• 2.5 弹性半空间计算模型实用化法
• 2.5.1 竖向振动
• 2.5.2 水平振动
• 2.5.3 埋置基础的振动分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 水平振动下桩-土体系中的土层阻抗
• 3.1 桩-土体系模型及控制方程
• 3.1.1 桩-土体系假设及模型
• 3.1.2 控制方程及边界条件
• 3.2 控制方程的求解
• 3.3 相互作用中土层阻抗变化规律讨论
• 3.4 本章小结
• 第4章 水平振动下桩-土体系中桩的复动刚度
• 4.1 桩-土体系水平振动
• 4.1.1 计算模型及控制方程
• 4.1.2 控制方程的求解
• 4.2 桩-土体系动刚度讨论
• 4.3 土-桩体系静刚度
• 4.4 相互作用中桩复动刚度变化规律讨论
• 4.4.1 静刚度
• 4.4.2 复动刚度和阻尼
• 4.4.3 泊松比的影响
• 4.4.4 β的影响
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A（土层阻抗MathCAD计算程序）
• 附录B（端部铰支桩复动刚度kSu的MathCAD计算程序）