楔形桩的工程应用起源于二十世纪苏联,由于其桩径渐变、上大下小的特殊几何特性,使得桩身拥有更好的承载性能。与相同耗材的等直径管桩,可以提供更高的承载极限。因而在一般的工程实践中更有优势。过去数十年,国内外专家学者通过理论计算、有限元分析、室内模型、现场试验等方法,深入挖掘了楔形桩的静力特性。另一方面,在楔形桩的动力理论研究上,多基于传统等截面圆桩的简化模型来模拟楔形桩的动力性能,存在一定的不足。本文提出建立了渐变截面模型,并基于此做出如下主要工作:1.本文提出了渐变截面模型计算楔形桩的纵向振动响应,利用有限差分法得到数值解,利用换元方法和阻抗传递方法得到半解析解,通过多种理论和试验的对比验证了模型的正确性。与传统简化的计算模型相比,当土质较差,地基土剪切波速较小时,两个模型的计算结果相近,随着土体剪切波速增大,两者出现显著差别,本文模型计算得到的桩顶纵向振动速度要低于简化模型。2.抽离出桩长L、桩身半长处桩径Rm、楔角a三个参数描述楔形桩的几何性质。通过对比计算表明,桩长越长,桩底反射信号越弱,频响曲线中的震荡幅度越小。另外,随着Rm增大,a减小,桩底反射信号会小幅上升,C区曲线会显著下沉,低频区频响曲线随之增大,对高频区频响曲线影响不大。3.桩土波速(模量)会显著影响桩顶振动速度响应。桩身纵波速(弹性模量)越大,桩底反射信号越强,频响曲线的振动幅度越大。均质土下,土体剪切波速越大,时响曲线下沉越多,桩底反射信号越弱,频响曲线的震荡幅度越小,且在低频区同阶共振频率越大。非均质土条件下,土层剪切波速的差别变大,时响曲线的浮动也越大,桩底发射信号会发生纵向的平移,而其信号峰几乎不受影响。另一方面,随着土层剪切波速的差异增加,低频区频响曲线的震荡幅值会变大,高频区的幅值减小。4.对楔形桩引入桩径比η的概念,表示桩底部桩径d与顶部桩径D的比值,即η=d/D。随着楔形桩的楔角,存在一个临界桩径比η0,使得楔形桩时响曲线中桩底反射信号无法显著的显示,导致对桩长、桩身完整性等信息判断不准确。桩长、桩身弹性模量、地基土剪切波速等因素会影响临界桩径比。本文计算结果表明,桩长越长、桩身弹模越小、地基土剪切波速越大,对应的临界桩径比越大。桩身平均半径对临界桩径比的影响不大5.楔形桩的缺陷长度对桩底反射信号影响较小,对缺陷信号会影响其出现位置和信号峰高度,变截面位置越深,信号越低。楔形桩的缺陷程度越大,缺陷反射信号越强,桩底反射信号越弱。频响方面,楔形桩缺陷的存在会使得共振峰数量的减少,且随着缺陷变化,频响曲线的震荡幅值和同阶共振频率会发生较大的改变。6.引入楔形桩桩径比η,表示楔形桩底部桩顶和顶部桩径的比,截面缺陷比φs表示缺陷段截面波阻抗与正常桩身截面波阻抗之比。对于缺陷楔形桩,桩径比η越小,桩底反射信号越弱,存在临界桩径比η0使得桩底反射不可见,桩长越长η0越大。对于几何尺寸固定的楔形桩,截面缺陷比φs越大,桩底反射信号越弱,存在临界截面缺陷比φs0使得桩底反射不可见,且桩长越长φs0越大。因此,在工程中设计楔形桩时,需充分考虑桩径比和桩长,以防无法接受桩底反射信号。