单桩刚度的连续介质力学模型研究

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本文基于桩一土相互作用的连续介质模型,研究了频率域内黏弹性悬浮单桩在线性、非线性土体中侧向振动的稳态动力响应以及端承单桩在饱和线性土体中侧向振动的稳态动力响应,得到了桩头刚度随频率等的响应曲线,分析了几何参数、物理参数等对桩头刚度的影响。主要工作如下: 首先,假设悬浮黏弹性桩下部的土体为一虚拟桩,原桩与虚拟桩组成一组合桩,并等效为一组合梁,基于水平振动时桩一土作用的连续介质模型,利用分离变量法和叠加原理,通过假设悬浮桩位移的级数形式,带入频域中三维土体和梁的控制方程,并利用桩一土界面的连续性条件得到悬浮桩的桩头刚度。参数研究发现悬浮桩刚度随桩土剪切波速比增加而增加,随桩长减少而减少;随激励频率增加桩阻尼增加,刚度减少,且在共振频率处桩刚度显著减少。 其次,为考虑土层的非线性效应,将土层分为两个区域,即桩附近的非线性黏弹性内部土域和线性黏弹性外部土域,并假定非线性内部土域满足双曲性本构关系。利用等效线性化技巧和非线性迭代解法,得到了考虑土层非线性效应时的桩头刚度,考察了桩长,激励频率,桩头振幅,土层非线性系数等参数对悬浮桩刚度的影响。这里迭代的收敛以非线性内部土层的平均剪应变为标准,当相邻两次迭代的平均剪应变的相对误差小于给定精度时,认为得到了原非线性土层中悬浮桩的响应。研究发现非线性土层中悬桩刚度明显小于线性土层中的刚度,阻尼增加;非线性刚度随桩头振幅增大而减小,随桩长减小而减小,随土层非线性系数增加而减小。 论文第三部分基于饱和多孔介质理论,假设土体为饱和线性黏弹性土层,首先,忽略土层垂直方向位移,建立了频率域内线性黏弹性端承桩在饱和线性黏弹性土层中的水平振动方程。假设单桩位移的级数形式,利用Helmholtz分解和变形Bessel函数,得到了饱和土层对桩的土抗表达式以及固定桩的动态刚度。数值结果表明桩刚度随激励频率增加而减小,随桩长减小而减小,随液相孔隙率减小而减小,随桩土剪切波速比增加而增大;在一阶共振处,桩头刚度显著减小,阻尼突然增大,孔隙水压突变。
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