论文部分内容阅读
随着工业化和城市化的快速发展，城市中高架道路、轻轨和地铁、磁悬浮等不断投入运行，引起的环境振动不可忽视。此外，大型动力机器等也可产生有害的环境振动。这些工程多采用桩基础，因此，研究小应变幅下群桩的动力响应对减小环境振动危害、确保结构安全具有重要的意义。本文采用以Winkle地基模型为基础的传递矩阵简化算法，分析了群桩在水平动荷载作用下的刚度和阻抗；利用以Biot波动方程为基础的饱和多孔介质有限元法，研究了桩-土体系在竖向动荷载作用下的动力响应。主要的内容包括：
(1)以Winkle地基梁模型为基础，联立力的平衡方程和弯矩平衡方程，由桩侧土的刚度和阻尼系数求得由桩身弯矩、剪力、水平位移以及转角分量组成的向量关于待定常数的表达式。通过向量在某一特定土层顶面和底面的方程组消去方程中的待定系数，得出单桩桩顶的阻抗，并进一步考虑主动桩与被动桩的动力影响，计算出桩-桩动力相互作用因子，进而求得群桩模型在水平荷载作用下，选取不同物理力学参数时的动刚度和阻尼。计算结果表明，在低频段，本文的计算结果与已有的结果较一致，但随剪切模量的减小，两者差异增大，其原因是本文方法考虑桩身剪切变形和转动惯量，桩身剪切变形的影响较大，即使在低频段差异亦十分明显；而桩身转动惯量影响较小，但在群桩阻抗峰值区域和高频段其影响不可忽略。当水平动荷载作用时，群桩效应十分明显，且该效应随群桩数的增加而愈显著，适当加大桩间距是减小群桩效应的有效手段。表层土的弹性模量对群桩基础动力响应有显著的影响，当地表土层较软时，较高频率的水平振动可引发群桩基础较高频率的共振，虽然在共振频率范围内基础的动阻尼有较明显的提高，但在工程设计中应给予以注意。
(2)以线弹性有限元计算方法为基础，根据以位移为未知量的纽马克时间积分方法，计算分析了不同分层土以及群桩基础在竖向动荷载作用下地表测点的动力响应。计算表明：如果边界条件和阻尼比设置恰当，通过等参单元的有限元方法可较为精确的计算出复杂布桩的动力响应；计算中应适当调整荷载步，确保在适宜的时间内得到精确的结果；无论是上硬下软或上软下硬地基模型，设置群桩基础可有效的减少荷载作用点和地表测点的位移和加速度幅值。
(3)以Biot饱和土体的波动方程为基础，根据运动和质量守恒方程，推导出时域内饱和土体的振动积分方程。以土体变形和超孔隙水压力为未知量，利用Galerkin法推导出以土体位移和超孔隙水压力为未知量的u-p格式三维有限元时域积分方程，分析了主要因素对群桩在竖向动荷载作用下的动力响应和隔振效果的影响。主要参数为：土层地质条件、布桩形式、桩长、上层土厚、土体泊松比、渗透系数、桩身刚度和几何及物理参数等。