群桩动力响应特性一直是桩基研究领域的重要课题之一.部分埋入群桩作为一种常见的基础形式,多被应用于石油钻井平台、海上风力机等海工结构物中[1 ] .与完全埋入桩相比,海上高桩的工作环境更加特殊和复杂[2 ] .我国东南沿海是地震高发区域,广泛分布的海基表层天然泥沙沉积物[3 ] 在地震荷载作用下极易发生液化现象[4 -5 ] ,不仅会降低桩基抗压能力,还会导致桩侧约束减小,在承受波浪、地震等水平荷载作用时产生更大的水平位移.Novak等[6 ] 的试验结果指出,表层土性质对群桩振动特性有着重要的影响,因此需要重视液化土中的部分埋入群桩的动力响应问题.
国内外基于埋入桩的群桩振动响应特性已有一定的成果.Poulos等[7 -8 ] 最早对群桩-土耦合模型进行了研究,在此基础上考虑静力荷载、动力荷载的作用,提出了桩-桩相互作用因子的概念,给出了群桩阻抗的计算方法.Dobry等[9 ] 进一步对动力Winkler地基模型中的群桩阻抗进行研究.国内学者任青等[10 ] 基于动力Winkler模型对考虑轴力的高桩群桩基础水平动力特性进行了研究.杨骁等[11 ] 采用Winkler模型模拟成层液化土地基,对带上部结构的桩土系统水平振动特性进行分析.刘圆圆[12 ] 基于简化饱和多孔介质理论,研究了高桩群桩基础振动阻抗.刘林超等[13 ] 等基于多孔介质理论研究了埋入管桩群桩的水平振动阻抗,但未考虑表层液化土的存在对桩基的影响.杨丰[14 ] 基于Winkler模型研究了液化土作用下群桩振动特性,通过假设被动桩埋入段的桩顶位移,结合位移叠加原理求得被动桩桩顶位移,定义了桩间相互影响因子.
目前基于Winkler地基法的完全埋入桩研究成果较为丰富,但对于液化土中部分埋入群桩基础的研究理论较少,并且在Winkler地基模型中,多采用强度折减法模拟液化土[15 ] ,忽略了液化土的流动性.本文采用Biot饱和多孔介质理论描述海基非液化饱和土体,将上部液化土体视作无黏性不可压缩流体,充分考虑液化土的流动性,给出了复杂条件下的液化土中高桩桩间相互作用因子解和群桩水平动阻抗解,与Winkler地基中采用强度折减法模拟液化土的方法相比更符合实际.
1 计算模型及假定
计算模型简图如图1 所示.假定表层液化土体为无黏性流体,下部土层为饱和两相多孔介质,桩基为弹性均质圆杆.桩顶受到竖向荷载P 、水平简谐荷载Q ei ωt 、弯矩Mei ωt 的共同耦合作用,ω为水平简谐荷载角频率,t为振动时间.主动桩与被动桩中心距为s,各桩半径均为r0 ,桩径均为d0 ,自上而下分为3段,上部自由段桩长为H1 ,液化土中桩长为Lls ,非液化土中桩长为Ls . 桩间相互作用模型如图2 所示,主动桩和被动桩连线与受力方向的夹角为θ ,r 为径向坐标轴.
图1
图1
液化土中群桩水平振动计算模型简图
Fig.1
Calculation model of horizontal vibration of group piles in liquefaction soil
图2
图2
桩间相互作用模型示意图
Fig.2
Model diagram of pile interaction
在对地震和波浪等荷载作用下的柔性桩进行动力响应分析时,由于其荷载频率一般较低,对群桩-土耦合系统模型可采用以下假定[16 ⇓ ⇓ ⇓ -20 ] :① 桩基为忽略剪切变形的线黏弹性等截面一维Euler-Bernoulli梁杆件,桩基底部为固定支撑,忽略桩侧摩阻力;② 液化土层为无黏性不可压缩流体,不考虑辐射阻尼影响,忽略自由表面波,在面上无限延伸,且初始无扰动;③ 桩周土为均匀饱和两相弹性介质,视作一系列沿纵向分布的土层,土层之间互相独立,土底为固定边界;④ 桩-土接触面良好,桩与液化土、非液化土不产生振动滑移,桩-土耦合体系振动为小变形;⑤ 各桩长度、半径不发生变化,且桩基表面不透水,不考虑桩基自重的影响.
2 单桩-土耦合系统振动方程求解
2.1 桩周土侧向压力
当桩受到圆频率为ω 的水平简谐激振时,会沿水平方向作简谐运动,根据线性辐射波浪理论,桩周围的流体会以相同的频率ω 做简谐运动,流体的速度势函数可表示为Φ (r , θ , z , t )=ϕ (r , θ , z )ei ωt .由于在水平简谐荷载作用下,桩-流体、桩-土系统均处于简谐振动状态,对应的状态项均包含时间因子ei ωt ,为书写方便,以下推导过程中均省略ei ωt 项.
由流体波动理论可以得到以速度势表示的无黏性不可压缩流体运动控制方程:
(1) ∂ 2 ϕ ( r , θ , z ) ∂ r 2 + 1 r ∂ ϕ ( r , θ , z ) ∂ r + 1 r 2 ∂ 2 ϕ ( r , θ , z ) ∂ θ 2 + ∂ 2 ϕ ( r , θ , z ) ∂ z 2 =0
(2) ∂ ϕ ( r , θ , z ) ∂ z z = 0 =0, ϕ ( r , θ , z ) z = - L l s =0
(3) ϕ ( r , θ , z ) r → ∞ =0
(4) ∂ ϕ ( r , θ , z ) ∂ r = ω u p 1 c o s θ r = r 0
采用参数分离法求解液化土振动控制方程,结合边界条件可得液化土在单位长度桩身上产生的反力q 1 为
(5) q 1 = ∑ n = 1 ∞ An ω2 πr0 ρls cos(αn z)K1 (αn r)
式中:An 为待定系数;ρls 为液化土层密度;αn =1 - 2 n 2 L l s , n =1, 2, …;Kn (·)为n 阶第二类修正Bessel函数.
基于Biot多孔介质理论与Novak薄层法,建立柱坐标下的非液化饱和振动控制方程:
(6) G* Δ2 ur +(λ* +α 2 M +G* ) ∂ e ∂ r - G * r 2 2 ∂ u r ∂ θ + u r -αM ∂ ξ ∂ r =ρ ∂ 2 u r ∂ t 2 +ρf ∂ 2 w r ∂ t 2
(7) G* Δ2 uθ +(λ* +α 2 M +G* ) ∂ e r ∂ θ - G * r 2 u θ - 2 ∂ u r ∂ θ -αM ∂ ξ r ∂ θ = ρ ∂ 2 u θ ∂ t 2 +ρf ∂ 2 w θ ∂ t 2
(8) αM ∂ e ∂ r -M ∂ ξ ∂ r =ρf ∂ 2 u r ∂ t 2 +m ∂ 2 w r ∂ t 2 +bp m ∂ w r ∂ t
(9) αM 1 r ∂ e ∂ θ -M 1 r ∂ ξ ∂ θ = ρ f ∂ 2 u θ ∂ t 2 +m ∂ 2 w θ ∂ t 2 +bp m ∂ w θ ∂ t
式中:Δ2 =∂ 2 ∂ r 2 +1 r ∂ ∂ r +1 r 2 ∂ 2 ∂ θ 2 ,e =∂ u r ∂ r +u r r +1 r ×∂ u θ ∂ θ ,ξ =-∂ w r ∂ r + w r r + 1 r ∂ w θ ∂ θ ;ur ,uθ 分别代表土层的固相径向位移和切向位移;wr ,wθ 代表液相相对于固相的径向和切向位移;λ ,μ 为与土体相关的Lame常数,G 为土体切变模量,ν 为土骨架泊松比. 当土体阻尼为滞回阻尼时,G* =G (1+2ζ i),λ* =λ (1+2ζ i),ζ 为土体滞回阻尼;当土体为黏性阻尼土时,G* =G +2ci ∂ ∂ t ,λ* =λ +2ci ∂ ∂ t ,ci 为黏性阻尼系数;α ,M 为土骨架和流体压缩性相关的Biot参数;ρ 为土体密度,ρ =ρs (1-n 0 )+n 0 ρf ,ρs 与ρf 分别为土颗粒、流体密度,n 0 为土体孔隙率;m =ρf /n 0 ,bp =ρf g/kd ,kd 为桩周土体的渗透系数.
(10) u r r → ∞ = 0 , u θ r → ∞ = 0 w r r → ∞ = 0 , w θ r → ∞ = 0
(11) u p s z = L s =0, φ p s z = L s =0°
(12) u r r = r 0 = u p s cos θ, u θ r = r 0 =- u p s sin θ
(13) w r r = r 0 =0
引入势函数解耦,根据微分算子分解法、分离变量法与边界条件可以得到非液化土中土骨架的径向位移以及环向位移表达式:
(14) u r = [ F 2 K 1 ( β 1 r ) ' + H 2 K 1 ( β 2 r ) ' + J 2 1 r K 1 ( β 3 r ) ] c o s θ u θ = - [ F 2 1 r K 1 ( β 1 r ) + H 2 1 r K 1 ( β 2 r ) + J 2 K 1 ( β 3 r ) ' ] s i n θ
β 1 =e 1 + e 1 - 4 e 2 2 ,β 2 =e 1 - e 1 - 4 e 2 2
β 3 =ρ f 2 ω 4 - ρ ω 2 ( m ω 2 - b p ω i ) G * ( m ω 2 - b p ω i )
e 1 =- ( λ * + α 2 M + 2 G * ) ( m ω 2 - b p ω i ) ( λ * + 2 G * ) M +2 α ρ f ω 2 - ρ ω 2 λ * + 2 G *
e 2 =ρ ω 2 ( m ω 2 - b p ω i ) - ρ f 2 ω 4 ( λ * + 2 G * ) M
K 1 ( β n r ) ' =∂ K 1 ( β n r ) ∂ r ; F 2 , H 2 , J 2 为待定系数.
基于饱和多孔介质理论中的土体本构关系,可以得到非液化土中桩段周围土体的水平动反力q s ,表示为
(15) qs =δF 2 δ =-πr 0 {(λ* +2G* )(β 1 2 K1 (β 1 r 0 )+β 2 2 m 1 K1 (β 2 r 0 ))+αM [(α +f 1 )β 1 2 K1 (β 1 r 0 )+(α +h )β 2 2 m 1 K1 (β 2 r 0 )]+G* β 3 2 m 2 K1 (β 3 r 0 )}
式中:H 2 F 2 =m 1 , J 2 F 2 =m 2 ; m 1 =τ 11 τ 23 - τ 13 τ 21 τ 13 τ 22 - τ 12 τ 23 , m 2 =τ 12 τ 21 - τ 11 τ 22 τ 13 τ 22 - τ 12 τ 23 ; τ 11 =K 1 ( β 1 r 0 ) ' -1 r 0 K1 (β 1 r 0 ), τ 12 =K 1 ( β 2 r 0 ) ' -1 r 0 K1 (β 2 r 0 ), τ 13 =1 r 0 K1 (β 3 r 0 )-K 1 ( β 3 r 0 ) ' ;τ 21 =f 1 K 1 ( β 1 r 0 ) ' , τ 22 =h K 1 ( β 2 r 0 ) ' , τ 23 =j 1 r 0 K 1 ( β 2 r 0 ) ; f 1 =α M β 1 2 + ρ f ω 2 b p ω i - M β 1 2 - m ω 2 , h =α M β 2 2 + ρ f ω 2 b p ω i - M β 2 2 - m ω 2 , j =ρ f ω 2 b p ω i - m ω .
2.2 桩顶阻抗求解
由动力平衡条件可以得到不同介质中桩体的自由振动控制方程:
(16) E p * Ip ∂ 4 u p i ∂ z 4 +P ∂ 2 u p i ∂ z 2 -mp ω2 u p i +qi =0
式中:qi (i =1, 2, s)分别为桩液化土、空气、饱和土段的动反力;u p i ( i =1, 2, s)分别为液化土中段、自由段、非液化土中段桩基水平位移;Ep 为桩体弹性模量,当桩体存在滞回阻尼ζp 时,E p * =Ep (1+2ζp i);P 为桩顶所受竖向荷载;I p 为桩段截面惯性矩;m p 为桩段单位长度质量.
Si (z )=u p i ( z ) φ p i ( z ) M p i ( z ) Q p i ( z ) =Xi (z )N 1 i N 2 i N 3 i N 4 i
式中:Xi (z )为关系矩阵;φ p i ,M p i ,Q p i ( i =1, 2, s)分别为桩身液化土中段、自由段、非液化土中段的转角、弯矩和剪力;N 1 i ,N 2 i ,N 3 i ,N 4 i (i =1, 2, s)为待定系数.
将液化土的侧向土压力表达式(5)代入式(16),结合三角函数正交性,可得液化土中段的桩基水平位移.进一步地,由Euler-Bernoulli梁理论,可得液化土桩身段的关系矩阵X 1 (z )为
X 1 (z )= c o s γ 1 z - ∑ n = 1 ∞ C 1 η c o s ( α n z ) s i n γ 1 z - ∑ n = 1 ∞ C 2 η c o s ( α n z ) γ 1 s i n γ 1 z - ∑ n = 1 ∞ C 1 η α n s i n ( α n z ) - γ 1 c o s γ 1 z - ∑ n = 1 ∞ C 2 η α n s i n ( α n z ) E p * I p [ - γ 1 2 c o s γ 1 z + ∑ n = 1 ∞ C 1 η α n 2 c o s ( α n z ) ] E p * I p [ - γ 1 2 s i n γ 1 z + ∑ n = 1 ∞ C 2 η α n 2 c o s ( α n z ) ] E p * I p [ γ 1 3 s i n γ 1 z - ∑ n = 1 ∞ C 1 η α n 3 s i n ( α n z ) ] E p * I p [ - γ 1 3 c o s γ 1 z - ∑ n = 1 ∞ C 2 η α n 3 c o s ( α n z ) ]
(17) c o s h γ 2 z - ∑ n = 1 ∞ C 3 η c o s ( α n z ) s i n h γ 2 z - ∑ n = 1 ∞ C 4 η c o s ( α n z ) - γ 2 s i n h γ 2 z - ∑ n = 1 ∞ C 3 η α n s i n ( α n z ) - γ 2 c o s h γ 2 z - ∑ n = 1 ∞ C 4 η α n s i n ( α n z ) E p * I p [ γ 2 2 c o s h γ 2 z + ∑ n = 1 ∞ C 3 η α n 2 c o s ( α n z ) ] E p * I p [ γ 2 2 s i n h γ 2 z + ∑ n = 1 ∞ C 4 η α n 2 c o s ( α n z ) ] E p * I p [ γ 2 3 s i n h γ 2 z - ∑ n = 1 ∞ C 3 η α n 3 s i n ( α n z ) ] E p * I p [ γ 2 3 c o s h γ 2 z - ∑ n = 1 ∞ C 4 η α n 3 s i n ( α n z ) ]
式中:η =2 L l s ( πr 0 ρ ls ω 2 K1 (αn r 0 )) /[E p * I p (α n 4 - d 4 -α n 2 b 2 )(K1 (αn r ))' +πρ ls ω 2 K1 (αn r 0 )r 0 ];γ 1 =b 1 2 + b 1 2 + d 1 4 E p * I p 4 , γ 2 =- b 1 2 + b 1 4 + d 1 4 E p * I p 4 ;b 1 2 =P E p * I p , d 1 2 =m p ω 2 E p * I p ;
C 1 =∫ - L 1 0 cos(γ 1 z ) cos(αn z )dz
C 2 =∫ - L 1 0 sin(γ 1 z ) cos(αn z )dz
C 3 =∫ - L 1 0 cosh(γ 2 z ) cos(αn z )dz
C 4 =∫ - L 1 0 sinh(γ 2 z ) cos(αn z )dz
自由段的桩体关系矩阵X 2 (z )可通过式(17)中的各元素仅保留第1项退化得到.
同理,当桩段周围为非液化饱和土时,可以得非液化土段的关系矩阵X s (z )为
(18) X s (z )= c o s γ 5 z s i n γ 5 z c o s h γ 6 z s i n h γ 6 z γ 5 s i n γ 5 z - γ 5 c o s γ 5 z - γ 6 s i n h γ 6 z - γ 6 c o s h γ 6 z - γ 5 2 E p * I p c o s γ 5 z - γ 5 2 E p * I p s i n γ 5 z γ 6 2 E p * I p c o s h γ 6 z γ 6 2 E p * I p s i n h γ 6 z γ 5 3 E p * I p s i n γ 5 z - γ 5 3 E p * I p c o s γ 5 z γ 6 3 E p * I p s i n h γ 6 z γ 6 3 E p * I p c o s h γ 6 z
式中:γ 5 =b 3 2 + b 3 2 + d 3 4 E p * I p 4 , γ 6 =- b 3 2 + b 3 4 + d 3 4 E p * I p 4 ;b 3 2 =P E p * I p ,d 3 4 =m p ω 2 - k s E p * I p ,k s =δ ξ ;ξ 可由前文边界条件求得.
由桩身变形位移连续条件S s (0)=S 1 (0)和S 1 (-L ls )=S 2 (-L ls ),采用矩阵传递法,可得到完整桩桩底与桩顶的位移、转角、弯矩、剪力间的关系:
(19) u p ( L s ) ϕ p ( L s ) M p ( L s ) Q p ( L s ) =T u p - ( L l s + H 1 ) φ p - ( L l s + H 1 ) M p - ( L l s + H 1 ) Q p - ( L l s + H 1 )
式中: T =X s (L s )X s - 1 (0) X 1 (0)X 1 (-L ls )X 2 (-L ls )X 2 - 1 [-(L ls +H 1 )].
已知桩的底部为刚性支承,因此桩底处的位移为0、转角为0°,进一步得到桩顶的位移、转角、弯矩、剪力间的阻抗关系矩阵:
(20) M p - ( L l s + H 1 ) Q p - ( L l s + H 1 ) =K u p - ( L l s + H 1 ) φ p - ( L l s + H 1 )
K =-T ( 1 , 3 ) T ( 1 , 4 ) T ( 2 , 3 ) T ( 2 , 4 ) - 1 T ( 1 , 1 ) T ( 1 , 2 ) T ( 2 , 1 ) T ( 2 , 2 ) .
(21) K h = Q p [ - ( L l s + H 1 ) ] u p [ - ( L l s + H 1 ) ] =K(2, 1)
3 群桩相互作用分析
3.1 桩间相互作用因子
高桩主动桩p11在受到桩顶竖向荷载、水平荷载及弯矩等耦合作用时,会产生相应的位移变形,非液化土中主动桩桩身的位移变形会挤压桩周土体,使得土体产生向四周扩散的应力波,并传播到被动桩p21附近,使被动桩桩体与非液化土产生动力相互作用,不考虑被动桩振动产生次生波对主动桩的影响.假定主动桩p11与被动桩p21满足以下边界条件.
(1) 主动桩p11桩顶弯矩、剪切力不为0,桩底位移为0、转角为0°:
(22) M p 11 z = - ( H 1 + L l s ) = M 0 , Q p 11 z = - ( H 1 + L l s ) = Q 0 u p 11 z = L s = 0 , φ p 11 z = L s = 0 °
(2) 被动桩p21桩顶弯矩、剪切力为0,桩底位移为0、转角为0°:
(23) M p 21 z = - ( H 1 + L l s ) = 0 , Q p 21 z = - ( H 1 + L l s ) = 0 u p 21 z = L s = 0 , φ p 21 z = L s = 0 °
(3) 主动桩p11与被动桩p21桩顶与刚性承台固接,因此桩顶边界条件满足:
(24) φ p 11 z = - ( H 1 + L l s ) = φ p 21 z = - ( H 1 + L l s ) =0°
根据式(14),由土体的切向位移uθ 与径向位移ur 可求得桩周土体水平位移ux :
(25) u x = u r c o s θ - u θ s i n θ = ( Γ 1 ( r ) c o s 2 θ - Γ 2 ( r ) s i n 2 θ ) F 2 Γ 1 ( r ) = β 1 K 2 ( β 1 r ) + K 0 ( β 1 r ) 2 + m 1 β 2 K 2 ( β 2 r ) + K 0 ( β 2 r ) 2 + m 2 K 1 ( β 3 r ) r Γ 2 ( r ) = - ( 1 r K 1 ( β 1 r ) + m 1 1 r K 1 ( β 2 r ) + m 2 β 3 K 2 ( β 3 r ) + K 0 ( β 3 r ) 2 )
当主动桩发生位移时,桩周土体以辐射波的形式向四周扩散,主动桩附近土体的位移受到该点与主动桩的距离s 和激振荷载入射夹角θ 控制. 因此可定义主动桩周边不同位置处的土体水平位移衰减函数Ψ :
(26) Ψ (s , θ )= u ( s ) u ( r 0 ) = Γ 1 ( s ) c o s 2 θ - Γ 2 ( s ) s i n 2 θ Γ 1 ( r 0 ) c o s 2 θ - Γ 2 ( r 0 ) s i n 2 θ
(27) E p I p ∂ 4 u p 21 s ∂ z 4 +P ∂ 2 u p 21 s ∂ z 2 -mp ω2 u p 21 s +ks (u p 21 s -Ψ u p 11 s )=0
(28) u p 21 s ( z ) = u p 21 s ( 1 ) ( z ) + u p 21 s ( 2 ) ( z ) u p 21 s ( 1 ) ( z ) = R s 1 c o s γ 5 z + R s 2 s i n γ 5 z + R s 3 c o s h γ 6 z + R s 4 s i n h γ 6 z u p 21 s ( 2 ) ( z ) = ε 1 ( z ) N s 1 + ε 2 ( z ) N s 2 + ε 3 ( z ) N s 3 + ε 4 ( z ) N s 4
式中:R 1 s ,R 2 s ,R 3 s ,R 4 s 为待定系数;γ 5 ,γ 6 计算方法与式(18)一致,并且
(29) ε 1 (z) = - k s Ψ E p * I p z 2 b 3 4 + 4 d 3 4 γ 5 s i n γ 5 z ε 2 (z) = k s Ψ E p * I p z 2 b 3 4 + 4 d 3 4 γ 5 c o s γ 5 z ε 3 (z) = k s Ψ E p * I p z 2 b 3 4 + 4 d 3 4 γ 6 s i n h γ 6 z ε 4 (z) = k s Ψ E p * I p z 2 b 3 4 + 4 d 3 4 γ 6 c o s h γ 6 z
(30) X s2 (z )= ε 1 ( z ) ε 2 ( z ) ε 3 ( z ) ε 4 ( z ) - ε ' 1 ( z ) - ε ' 2 ( z ) - ε ' 3 ( z ) - ε ' 4 ( z ) ε ″ 1 (z) E p * I p ε ″ 2 (z) E p * I p ε ″ 3 (z) E p * I p ε ″ 4 (z) E p * I p ε ‴ 1 (z) E p * I p ε ‴ 2 (z) E p * I p ε ‴ 3 (z) E p * I p ε ‴ 4 (z) E p * I p
则被动桩p21的桩身变形和受力的矩阵表达式可写作:
(31) S p21 (z )=X s (z )R s +X s2 (z )N s
式中:R s =R s 1 R s 2 R s 3 R s 4 T 和N s =N s 1 N s 2 N s 3 N s 4 T 均为待定系数向量;S p21 (z )= u p 21 s ( z ) φ p 21 s ( z ) M p 21 s ( z ) Q p 21 s ( z ) T .
可以得到非液化土中被动桩桩底与被动桩桩顶、主动桩桩顶的受力变形矩阵关系式:
(32) S p21 (L s )= u p 21 s ( L s ) φ p 21 s ( L s ) M p 21 s ( L s ) Q p 21 s ( L s ) = T2 u p 21 s ( 0 ) ϕ p 21 s ( 0 ) M p 21 s ( 0 ) Q p 21 s ( 0 ) +T1 u p 11 s ( 0 ) φ p 11 s ( 0 ) M p 11 s ( 0 ) Q p 11 s ( 0 )
式中:T 2 =X s (L s )X s - 1 (0) ;T 1 可通过被动桩桩顶、桩底的表达式变形得到T 1 =X s2 (L ls )X s 2 - 1 (0)- T 2 X s2 (0)X s 2 - 1 (0).
结合桩体自由段、液化段、非液化段的位移连续条件,由刚度矩阵传递可得:
(33) u p 21 s ( L s ) φ p 21 s ( L s ) M p 21 s ( L s ) Q p 21 s ( L s ) =T2 T0 u p 21 2 - ( L l s + H 1 ) φ p 21 2 - ( L l s + H 1 ) M p 21 2 - ( L l s + H 1 ) Q p 21 2 - ( L l s + H 1 ) + T1 T0 u p 11 2 - ( L l s + H 1 ) φ p 11 2 - ( L l s + H 1 ) M p 11 2 - ( L l s + H 1 ) Q p 11 2 - ( L l s + H 1 )
式中:T 0 =X 1 (0)X 1 - 1 (- L ls )X 2 (-L ls )X 2 - 1 [-(L ls +H 1 )].
令T 4 =T 2 T 0 ,T 3 =T 1 T 0 ,结合被动桩桩底边界条件,可以得到被动桩与主动桩间的相互作用关系矩阵:
(34) u p 21 2 - ( L l s + H 1 ) φ p 21 2 - ( L l s + H 1 ) =A u p 11 2 - ( L l s + H 1 ) φ p 11 2 - ( L l s + H 1 )
式中:A =-T 4 ( 1 , 1 ) T 4 ( 1 , 2 ) T 4 ( 2 , 1 ) T 4 ( 2 , 2 ) - 1 ×T 4 ( 1 , 1 ) T 4 ( 1 , 2 ) T 4 ( 2 , 1 ) T 4 ( 2 , 2 ) +T 4 ( 1 , 3 ) T 4 ( 1 , 4 ) T 4 ( 2 , 3 ) T 4 ( 2 , 4 ) K ,具体求解方法可参考文献[10 ].进而得到以位移定义的桩间水平相互作用因子α up :
(35) α up = u p 21 - ( L l s + H 1 ) u p 11 - ( L l s + H 1 ) = A ( 1 , 1 ) f s ( 1 , 1 ) + A ( 1 , 2 ) f s ( 2 , 1 ) f s ( 1 , 1 )
3.2 群桩阻抗求解
(36) Q= ∑ j = 1 N Qj
(37) ug =ui = ∑ j = 1 N αij uj = ∑ j = 1 N αij Q j K h
式中:ug 为群桩的桩头水平位移;uj , ui 分别为主动桩Pj 和被动桩Pi 的桩头位移;αij 为主动桩Pj 与被动桩Pi 间的水平动力相互作用因子,当i =j 时,αij =1;Qj 为桩j 分担的水平荷载.
(38) Q 0 ︙ 0 0 = 1 1 … 1 0 1 K h α 12 K h … α 1 N K h - 1 α 21 K h 1 K h … α 2 N K h - 1 ︙ ︙ ⋱ ︙ ︙ α N 1 K h α N 2 K h … 1 K h - 1 Q 1 Q 2 ︙ Q N u g
通过矩阵求逆运算即可得到群桩中各单桩所受水平力Qi 和群桩位移ug . 将计算结果代入群桩水平阻抗Kgh 的计算公式:Kgh =Q/ug ,最终可得到无量纲群桩桩顶水平阻抗:
(39) kgh = r 0 3 E p I p Re(Kgh ), cgh = r 0 3 E p I p lm(Kgh )
式中:k gh 为无量纲群桩水平动刚度;c gh 为反映群桩能量耗散的无量纲水平动阻尼:Re代表实部;Im代表虚部.
4 模型有效性分析
数值计算参数如下:r 0 =0.5 m,L =20 m,α =1,M =4.6 GPa,ν =0.3,n 0 =0.3,ρ s =2 700 kg/m3 ,ρ p =2 500 kg/m3 ,G =10 MPa,E p =40 GPa,k d =10-6 m/s,ζ =0,ζ p =0,s =5d 0 . 本节频率均采用无量纲频率a 0 =2ωr 0 / G / ρ .
将本文解退化为不考虑竖向荷载时饱和地基中桩顶阻抗解(L ls =0 m,P =0 kN),与Kaynia等[21 ] 、刘圆圆[12 ] 所给出的群桩解进行对比,结果如图3 所示.分别对完全埋入桩和高桩桩间水平相互作用因子的结果进行对比,可以看到退化解与已有解的结果吻合度较好,完全埋入桩相互作用因子与已有解略有差异,这是由于两者所采取的衰减函数形式以及采用的理论模型不同,但变化趋势吻合,验证了本文解的合理性.
图3
图3
桩间水平相互作用因子的对比验证
Fig.3
Comparative verification of interaction factors of horizontal piles
将桩基退化为无竖向荷载、无液化土中的部分埋入群桩水平振动解,与已有忽略孔隙流体压缩性的群桩水平振动解进行对比(n 0 =0.4,E p =30 GPa,其余参数取值同上),结果如图4 所示.可以看到不同埋入比下的群桩(m =2×2)水平复阻抗解吻合较好,m 为群桩排列方式.
图4
图4
群桩阻抗退化解的对比验证
Fig.4
Comparative verification of group pile impedance degenerate solution
栾鲁宝[22 ] 已有研究指出,桩间相互作用随着桩间距的增大而减小.因此,只要桩间距无限大时,可以忽略群桩间的相互作用,群桩阻抗可视作各单桩阻抗之和.取桩间距s/d 0 =2 000,对比不同桩数时群桩阻抗的大小,结果如图5 所示.可以看出当桩间距离足够大时,同一频率下群桩阻抗接近于单桩阻抗的桩数倍,验证了本文解的合理性.
图5
图5
大桩间距下不同桩数群桩基础水平动刚度对比
Fig.5
Comparison of horizontal dynamic.pngfness of pile foundation with different pile groups under large pile spacing condition
5 算例分析
针对影响液化土中的群桩水平动力特性的参数分析中,n 0 =0.4,E p =30 GPa,ζ =0.02,P =1 000 kN,其余参数同前.
5.1 桩间水平相互作用因子参数分析
设水平激振作用方向与两桩的夹角θ =0°,液化土厚度占比L ls /L =0,0.05,0.1,0.2.图6 反映了在竖向荷载作用下,不同厚度的表层液化土中高桩桩间相互作用因子随水平荷载频率的变化规律,相互作用因子的实部和虚部都会随着频率的变化呈现出一定的振荡特性.在a 0 <0.2的低频范围内,随着液化土厚度的增大,桩间水平相互作用因子实部减小,说明在低频范围内土体液化会导致桩-桩相互作用效应减弱.在高频范围内,相互作用因子的振荡幅值随着液化土相对厚度的增大逐渐增大,其中峰谷位置朝低频方向移动,且波峰波谷间的距离缩短.这是由于表面土体液化导致桩-土-桩系统的整体刚度下降,系统的共振频率随之发生下降,达到相互作用因子的极值所需要的频率也随之下降.液化层厚度比越高的地基中高桩桩间相互作用因子更具频率敏感性,传统的动刚度放大法将不再适用.
图6
图6
液化层厚度比对桩间相互作用因子的影响
Fig.6
Effect of liquefied layer thickness ratio on piles interaction factor
图7 反映了在常见的水平荷载范围内,水平激振作用方向与桩间连线的夹角θ 对高桩桩间水平相互作用因子的影响.取θ =0°,30°,60°,90°,其余参数与前文一致.如图7 所示, 在低频阶段, 桩基水平相互作用因子实部随着夹角的增大而减小,虚部受夹角变化的影响较小.这是由于主动桩振动生成的应力波在各个方向上的大小不同,与荷载的夹角较小的方向应力波较大,所以也对应着较高的相互作用因子.在高频阶段,随着荷载作用夹角的增大,桩间水平相互作用因子波动的幅值不断增大,更具频率敏感性.
图7
图7
荷载作用夹角对桩间相互作用因子的影响
Fig.7
Effect of load angle on piles interaction factor
5.2 群桩水平动阻抗参数分析
控制液化土密度不变,液化土厚度L ls =0,d 0 ,2d 0 ,4d 0 ,其余参数与前文一致.图8 反映了无竖向荷载作用时,不同厚度表层液化土中高桩群桩(1×2)水平阻抗随荷载频率的变化.如图8 所示,同一频率下,群桩阻抗随着表层液化土厚度的增加而下降.液化土越厚,群桩阻抗波动性越明显,阻抗峰值所处的频率进一步减小,在较高频率下变为负刚度,这要求在工程设计时严格控制可液化深度.
图8
图8
不同厚度液化土中群桩基础水平阻抗
Fig.8
Horizontal impedance of pile group in liquefied soil of different thicknesses
进一步探究液化土密度对群桩阻抗的影响,保持液化土深度L ls =3d 0 不变,自由段桩基H 1 =1 m.表层液化土密度分别取:ρ ls =1 600,1 900,2 200,2 500 kg/m3 ,其余参数同前,如图9 所示.在低频范围内,桩周液化土密度对群桩阻抗的影响不显著.随着激振频率的提高,由液化土密度产生的群桩阻抗结果差异性得以显现:① 当激振频率达到 6 Hz 以上时,液化土密度才对群桩动阻尼产生明显效果;② 液化土密度越大,群桩阻抗峰值越大,波动性越大.
图9
图9
不同液化土密度对群桩水平阻抗的影响
Fig.9
Effect of different density of liquefied soil on horizontal impedance of pile group
进一步分析海洋工程中常见的2×2群桩基础桩顶阻抗特性,保持桩间距不变,竖向荷载P =0,4 000 kN.高桩上部自由段高度取d 0 ,液化土深度L ls =2d 0 ,4d 0 ,如图10 所示.竖向荷载的存在减小了水平阻抗曲线的波动程度.对于水平动刚度而言,竖向荷载使全频率范围内桩顶水平动刚度降低,这是由于竖向荷载在桩内产生了P -Δ 效应(Δ 为水平位移),在轴力较小,不考虑失稳破坏时,P -Δ 效应产生的附加弯矩将增大桩基的水平位移,从而使得水平动刚度相较于无轴力条件时发生下降.并且,在波动峰值时竖向荷载的影响效果最为显著,一般认为,群桩动力效应的存在造成动刚度频域曲线的波峰出现,而竖向荷载作为一种边界约束条件,会造成群桩动力效应减弱,在波峰处表现为相对较大程度的刚度下降.随着液化土厚度的增大,波峰处的刚度下降幅度更加明显,而且增大效应所对应的频率范围变小,会对工程安全产生不利影响.
图10
图10
桩顶竖向荷载对群桩水平阻抗的影响
Fig.10
Effect of vertical load on horizontal impedance of pile group
6 结论
本文基于Biot饱和多孔介质理论,结合海洋表层土易液化的特点,对表层液化地基中承受竖向-水平耦合荷载作用的高桩水平振动特性进行了研究.将上部液化土视作完全流体,通过矩阵传递法求得被动桩桩顶受力变形解,由水平位移定义的高桩桩间相互作用因子,求得液化土中群桩桩顶水平阻抗的表达式.得到以下结论:
(1) 低频范围内,随着液化层厚度比增大,桩间相互作用效应减弱,在高频范围内,液化层厚度比越高的地基中桩间相互作用因子对激振频率更敏感,且由于系统整体刚度的减小,相互作用因子将在更低的频率下到达峰值.
(2) 同一频率下,群桩水平动刚度随着表层液化土厚度的增加而下降,当液化层厚度比越高时,动刚度随着频率的上升显著下降,并出现负刚度;在高频阶段,液化土密度产生的群桩阻抗结果差异性得以显现.
(3) 在低频范围内,桩周液化土密度对群桩阻抗影响不显著,随着激振频率的提高,密度对群桩动阻尼的产生明显影响,液化土密度越大,群桩阻抗峰值越大.
(4) 桩顶竖向荷载会在桩内产生P -Δ 效应,导致液化土中的群桩水平动刚度下降,且液化土厚度越大,削弱效果越明显.
参考文献
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现有的p-y曲线大多是基于小直径桩在有限循环次数下的加载试验得到,难以精确描述大直径桩基在长期水平循环荷载下的位移累积以及土体的循环弱化特性.基于此,首先对Abaqus进行二次开发,建立了能考虑砂土长期循环弱化效应的桩土系统刚度衰减模型,并在数值分析的基础上得到了长期循环荷载下大直径桩的p-y曲线.然后通过引入循环反力比的概念,获取了桩土系统的刚度衰减参数,同时实现了对初始地基反力模量的修正,进而提出了基于砂土刚度衰减模型的修正p-y曲线法.最后,通过与试验结果进行对比分析,验证了该方法的有效性.该修正p-y曲线法能够综合考虑荷载特性、循环次数、砂土刚度循环弱化等因素,可为长期水平循环作用下大直径桩基础的初步设计提供一种简明有效的分析方法.
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2011
... 国内外基于埋入桩的群桩振动响应特性已有一定的成果.Poulos等[7 -8 ] 最早对群桩-土耦合模型进行了研究,在此基础上考虑静力荷载、动力荷载的作用,提出了桩-桩相互作用因子的概念,给出了群桩阻抗的计算方法.Dobry等[9 ] 进一步对动力Winkler地基模型中的群桩阻抗进行研究.国内学者任青等[10 ] 基于动力Winkler模型对考虑轴力的高桩群桩基础水平动力特性进行了研究.杨骁等[11 ] 采用Winkler模型模拟成层液化土地基,对带上部结构的桩土系统水平振动特性进行分析.刘圆圆[12 ] 基于简化饱和多孔介质理论,研究了高桩群桩基础振动阻抗.刘林超等[13 ] 等基于多孔介质理论研究了埋入管桩群桩的水平振动阻抗,但未考虑表层液化土的存在对桩基的影响.杨丰[14 ] 基于Winkler模型研究了液化土作用下群桩振动特性,通过假设被动桩埋入段的桩顶位移,结合位移叠加原理求得被动桩桩顶位移,定义了桩间相互影响因子. ...
... 式中:A =- T 4 ( 1 , 1 ) T 4 ( 1 , 2 ) T 4 ( 2 , 1 ) T 4 ( 2 , 2 ) - 1 × T 4 ( 1 , 1 ) T 4 ( 1 , 2 ) T 4 ( 2 , 1 ) T 4 ( 2 , 2 ) + T 4 ( 1 , 3 ) T 4 ( 1 , 4 ) T 4 ( 2 , 3 ) T 4 ( 2 , 4 ) K ,具体求解方法可参考文献[10 ].进而得到以位移定义的桩间水平相互作用因子α up : ...
Lateral vibration properties of partially embedded pile groups foundation considering axial forces
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2011
... 国内外基于埋入桩的群桩振动响应特性已有一定的成果.Poulos等[7 -8 ] 最早对群桩-土耦合模型进行了研究,在此基础上考虑静力荷载、动力荷载的作用,提出了桩-桩相互作用因子的概念,给出了群桩阻抗的计算方法.Dobry等[9 ] 进一步对动力Winkler地基模型中的群桩阻抗进行研究.国内学者任青等[10 ] 基于动力Winkler模型对考虑轴力的高桩群桩基础水平动力特性进行了研究.杨骁等[11 ] 采用Winkler模型模拟成层液化土地基,对带上部结构的桩土系统水平振动特性进行分析.刘圆圆[12 ] 基于简化饱和多孔介质理论,研究了高桩群桩基础振动阻抗.刘林超等[13 ] 等基于多孔介质理论研究了埋入管桩群桩的水平振动阻抗,但未考虑表层液化土的存在对桩基的影响.杨丰[14 ] 基于Winkler模型研究了液化土作用下群桩振动特性,通过假设被动桩埋入段的桩顶位移,结合位移叠加原理求得被动桩桩顶位移,定义了桩间相互影响因子. ...
... 式中:A =- T 4 ( 1 , 1 ) T 4 ( 1 , 2 ) T 4 ( 2 , 1 ) T 4 ( 2 , 2 ) - 1 × T 4 ( 1 , 1 ) T 4 ( 1 , 2 ) T 4 ( 2 , 1 ) T 4 ( 2 , 2 ) + T 4 ( 1 , 3 ) T 4 ( 1 , 4 ) T 4 ( 2 , 3 ) T 4 ( 2 , 4 ) K ,具体求解方法可参考文献[10 ].进而得到以位移定义的桩间水平相互作用因子α up : ...
成层液化土中单桩-土-结构系统的水平振动分析
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2011
... 国内外基于埋入桩的群桩振动响应特性已有一定的成果.Poulos等[7 -8 ] 最早对群桩-土耦合模型进行了研究,在此基础上考虑静力荷载、动力荷载的作用,提出了桩-桩相互作用因子的概念,给出了群桩阻抗的计算方法.Dobry等[9 ] 进一步对动力Winkler地基模型中的群桩阻抗进行研究.国内学者任青等[10 ] 基于动力Winkler模型对考虑轴力的高桩群桩基础水平动力特性进行了研究.杨骁等[11 ] 采用Winkler模型模拟成层液化土地基,对带上部结构的桩土系统水平振动特性进行分析.刘圆圆[12 ] 基于简化饱和多孔介质理论,研究了高桩群桩基础振动阻抗.刘林超等[13 ] 等基于多孔介质理论研究了埋入管桩群桩的水平振动阻抗,但未考虑表层液化土的存在对桩基的影响.杨丰[14 ] 基于Winkler模型研究了液化土作用下群桩振动特性,通过假设被动桩埋入段的桩顶位移,结合位移叠加原理求得被动桩桩顶位移,定义了桩间相互影响因子. ...
Analysis of horizontal vibration of pile-soil-superstructure system in layered liquefiable soil
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2011
... 国内外基于埋入桩的群桩振动响应特性已有一定的成果.Poulos等[7 -8 ] 最早对群桩-土耦合模型进行了研究,在此基础上考虑静力荷载、动力荷载的作用,提出了桩-桩相互作用因子的概念,给出了群桩阻抗的计算方法.Dobry等[9 ] 进一步对动力Winkler地基模型中的群桩阻抗进行研究.国内学者任青等[10 ] 基于动力Winkler模型对考虑轴力的高桩群桩基础水平动力特性进行了研究.杨骁等[11 ] 采用Winkler模型模拟成层液化土地基,对带上部结构的桩土系统水平振动特性进行分析.刘圆圆[12 ] 基于简化饱和多孔介质理论,研究了高桩群桩基础振动阻抗.刘林超等[13 ] 等基于多孔介质理论研究了埋入管桩群桩的水平振动阻抗,但未考虑表层液化土的存在对桩基的影响.杨丰[14 ] 基于Winkler模型研究了液化土作用下群桩振动特性,通过假设被动桩埋入段的桩顶位移,结合位移叠加原理求得被动桩桩顶位移,定义了桩间相互影响因子. ...
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2013
... 国内外基于埋入桩的群桩振动响应特性已有一定的成果.Poulos等[7 -8 ] 最早对群桩-土耦合模型进行了研究,在此基础上考虑静力荷载、动力荷载的作用,提出了桩-桩相互作用因子的概念,给出了群桩阻抗的计算方法.Dobry等[9 ] 进一步对动力Winkler地基模型中的群桩阻抗进行研究.国内学者任青等[10 ] 基于动力Winkler模型对考虑轴力的高桩群桩基础水平动力特性进行了研究.杨骁等[11 ] 采用Winkler模型模拟成层液化土地基,对带上部结构的桩土系统水平振动特性进行分析.刘圆圆[12 ] 基于简化饱和多孔介质理论,研究了高桩群桩基础振动阻抗.刘林超等[13 ] 等基于多孔介质理论研究了埋入管桩群桩的水平振动阻抗,但未考虑表层液化土的存在对桩基的影响.杨丰[14 ] 基于Winkler模型研究了液化土作用下群桩振动特性,通过假设被动桩埋入段的桩顶位移,结合位移叠加原理求得被动桩桩顶位移,定义了桩间相互影响因子. ...
... 将本文解退化为不考虑竖向荷载时饱和地基中桩顶阻抗解(L ls =0 m,P =0 kN),与Kaynia等[21 ] 、刘圆圆[12 ] 所给出的群桩解进行对比,结果如图3 所示.分别对完全埋入桩和高桩桩间水平相互作用因子的结果进行对比,可以看到退化解与已有解的结果吻合度较好,完全埋入桩相互作用因子与已有解略有差异,这是由于两者所采取的衰减函数形式以及采用的理论模型不同,但变化趋势吻合,验证了本文解的合理性. ...
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2013
... 国内外基于埋入桩的群桩振动响应特性已有一定的成果.Poulos等[7 -8 ] 最早对群桩-土耦合模型进行了研究,在此基础上考虑静力荷载、动力荷载的作用,提出了桩-桩相互作用因子的概念,给出了群桩阻抗的计算方法.Dobry等[9 ] 进一步对动力Winkler地基模型中的群桩阻抗进行研究.国内学者任青等[10 ] 基于动力Winkler模型对考虑轴力的高桩群桩基础水平动力特性进行了研究.杨骁等[11 ] 采用Winkler模型模拟成层液化土地基,对带上部结构的桩土系统水平振动特性进行分析.刘圆圆[12 ] 基于简化饱和多孔介质理论,研究了高桩群桩基础振动阻抗.刘林超等[13 ] 等基于多孔介质理论研究了埋入管桩群桩的水平振动阻抗,但未考虑表层液化土的存在对桩基的影响.杨丰[14 ] 基于Winkler模型研究了液化土作用下群桩振动特性,通过假设被动桩埋入段的桩顶位移,结合位移叠加原理求得被动桩桩顶位移,定义了桩间相互影响因子. ...
... 将本文解退化为不考虑竖向荷载时饱和地基中桩顶阻抗解(L ls =0 m,P =0 kN),与Kaynia等[21 ] 、刘圆圆[12 ] 所给出的群桩解进行对比,结果如图3 所示.分别对完全埋入桩和高桩桩间水平相互作用因子的结果进行对比,可以看到退化解与已有解的结果吻合度较好,完全埋入桩相互作用因子与已有解略有差异,这是由于两者所采取的衰减函数形式以及采用的理论模型不同,但变化趋势吻合,验证了本文解的合理性. ...
考虑三维波动的饱和土中管桩群桩的水平振动研究
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2017
... 国内外基于埋入桩的群桩振动响应特性已有一定的成果.Poulos等[7 -8 ] 最早对群桩-土耦合模型进行了研究,在此基础上考虑静力荷载、动力荷载的作用,提出了桩-桩相互作用因子的概念,给出了群桩阻抗的计算方法.Dobry等[9 ] 进一步对动力Winkler地基模型中的群桩阻抗进行研究.国内学者任青等[10 ] 基于动力Winkler模型对考虑轴力的高桩群桩基础水平动力特性进行了研究.杨骁等[11 ] 采用Winkler模型模拟成层液化土地基,对带上部结构的桩土系统水平振动特性进行分析.刘圆圆[12 ] 基于简化饱和多孔介质理论,研究了高桩群桩基础振动阻抗.刘林超等[13 ] 等基于多孔介质理论研究了埋入管桩群桩的水平振动阻抗,但未考虑表层液化土的存在对桩基的影响.杨丰[14 ] 基于Winkler模型研究了液化土作用下群桩振动特性,通过假设被动桩埋入段的桩顶位移,结合位移叠加原理求得被动桩桩顶位移,定义了桩间相互影响因子. ...
Horizontal vibration of pipe pile groups in saturated soil considering three-dimensional wave effects
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2017
... 国内外基于埋入桩的群桩振动响应特性已有一定的成果.Poulos等[7 -8 ] 最早对群桩-土耦合模型进行了研究,在此基础上考虑静力荷载、动力荷载的作用,提出了桩-桩相互作用因子的概念,给出了群桩阻抗的计算方法.Dobry等[9 ] 进一步对动力Winkler地基模型中的群桩阻抗进行研究.国内学者任青等[10 ] 基于动力Winkler模型对考虑轴力的高桩群桩基础水平动力特性进行了研究.杨骁等[11 ] 采用Winkler模型模拟成层液化土地基,对带上部结构的桩土系统水平振动特性进行分析.刘圆圆[12 ] 基于简化饱和多孔介质理论,研究了高桩群桩基础振动阻抗.刘林超等[13 ] 等基于多孔介质理论研究了埋入管桩群桩的水平振动阻抗,但未考虑表层液化土的存在对桩基的影响.杨丰[14 ] 基于Winkler模型研究了液化土作用下群桩振动特性,通过假设被动桩埋入段的桩顶位移,结合位移叠加原理求得被动桩桩顶位移,定义了桩间相互影响因子. ...
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2019
... 国内外基于埋入桩的群桩振动响应特性已有一定的成果.Poulos等[7 -8 ] 最早对群桩-土耦合模型进行了研究,在此基础上考虑静力荷载、动力荷载的作用,提出了桩-桩相互作用因子的概念,给出了群桩阻抗的计算方法.Dobry等[9 ] 进一步对动力Winkler地基模型中的群桩阻抗进行研究.国内学者任青等[10 ] 基于动力Winkler模型对考虑轴力的高桩群桩基础水平动力特性进行了研究.杨骁等[11 ] 采用Winkler模型模拟成层液化土地基,对带上部结构的桩土系统水平振动特性进行分析.刘圆圆[12 ] 基于简化饱和多孔介质理论,研究了高桩群桩基础振动阻抗.刘林超等[13 ] 等基于多孔介质理论研究了埋入管桩群桩的水平振动阻抗,但未考虑表层液化土的存在对桩基的影响.杨丰[14 ] 基于Winkler模型研究了液化土作用下群桩振动特性,通过假设被动桩埋入段的桩顶位移,结合位移叠加原理求得被动桩桩顶位移,定义了桩间相互影响因子. ...
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2019
... 国内外基于埋入桩的群桩振动响应特性已有一定的成果.Poulos等[7 -8 ] 最早对群桩-土耦合模型进行了研究,在此基础上考虑静力荷载、动力荷载的作用,提出了桩-桩相互作用因子的概念,给出了群桩阻抗的计算方法.Dobry等[9 ] 进一步对动力Winkler地基模型中的群桩阻抗进行研究.国内学者任青等[10 ] 基于动力Winkler模型对考虑轴力的高桩群桩基础水平动力特性进行了研究.杨骁等[11 ] 采用Winkler模型模拟成层液化土地基,对带上部结构的桩土系统水平振动特性进行分析.刘圆圆[12 ] 基于简化饱和多孔介质理论,研究了高桩群桩基础振动阻抗.刘林超等[13 ] 等基于多孔介质理论研究了埋入管桩群桩的水平振动阻抗,但未考虑表层液化土的存在对桩基的影响.杨丰[14 ] 基于Winkler模型研究了液化土作用下群桩振动特性,通过假设被动桩埋入段的桩顶位移,结合位移叠加原理求得被动桩桩顶位移,定义了桩间相互影响因子. ...
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2017
... 目前基于Winkler地基法的完全埋入桩研究成果较为丰富,但对于液化土中部分埋入群桩基础的研究理论较少,并且在Winkler地基模型中,多采用强度折减法模拟液化土[15 ] ,忽略了液化土的流动性.本文采用Biot饱和多孔介质理论描述海基非液化饱和土体,将上部液化土体视作无黏性不可压缩流体,充分考虑液化土的流动性,给出了复杂条件下的液化土中高桩桩间相互作用因子解和群桩水平动阻抗解,与Winkler地基中采用强度折减法模拟液化土的方法相比更符合实际. ...
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2017
... 目前基于Winkler地基法的完全埋入桩研究成果较为丰富,但对于液化土中部分埋入群桩基础的研究理论较少,并且在Winkler地基模型中,多采用强度折减法模拟液化土[15 ] ,忽略了液化土的流动性.本文采用Biot饱和多孔介质理论描述海基非液化饱和土体,将上部液化土体视作无黏性不可压缩流体,充分考虑液化土的流动性,给出了复杂条件下的液化土中高桩桩间相互作用因子解和群桩水平动阻抗解,与Winkler地基中采用强度折减法模拟液化土的方法相比更符合实际. ...
A unified lateral soil reaction model for monopiles in soft clay considering various length-to-diameter (L/D ) ratios
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2020
... 在对地震和波浪等荷载作用下的柔性桩进行动力响应分析时,由于其荷载频率一般较低,对群桩-土耦合系统模型可采用以下假定[16 ⇓ ⇓ ⇓ -20 ] :① 桩基为忽略剪切变形的线黏弹性等截面一维Euler-Bernoulli梁杆件,桩基底部为固定支撑,忽略桩侧摩阻力;② 液化土层为无黏性不可压缩流体,不考虑辐射阻尼影响,忽略自由表面波,在面上无限延伸,且初始无扰动;③ 桩周土为均匀饱和两相弹性介质,视作一系列沿纵向分布的土层,土层之间互相独立,土底为固定边界;④ 桩-土接触面良好,桩与液化土、非液化土不产生振动滑移,桩-土耦合体系振动为小变形;⑤ 各桩长度、半径不发生变化,且桩基表面不透水,不考虑桩基自重的影响. ...
基于黏性流体力学的液化土中桩基桩顶阻抗研究
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2023
... 在对地震和波浪等荷载作用下的柔性桩进行动力响应分析时,由于其荷载频率一般较低,对群桩-土耦合系统模型可采用以下假定[16 ⇓ ⇓ ⇓ -20 ] :① 桩基为忽略剪切变形的线黏弹性等截面一维Euler-Bernoulli梁杆件,桩基底部为固定支撑,忽略桩侧摩阻力;② 液化土层为无黏性不可压缩流体,不考虑辐射阻尼影响,忽略自由表面波,在面上无限延伸,且初始无扰动;③ 桩周土为均匀饱和两相弹性介质,视作一系列沿纵向分布的土层,土层之间互相独立,土底为固定边界;④ 桩-土接触面良好,桩与液化土、非液化土不产生振动滑移,桩-土耦合体系振动为小变形;⑤ 各桩长度、半径不发生变化,且桩基表面不透水,不考虑桩基自重的影响. ...
Research on pile top impedance of pile foundation in liquefied soil based on viscous fluid mechanics
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... 在对地震和波浪等荷载作用下的柔性桩进行动力响应分析时,由于其荷载频率一般较低,对群桩-土耦合系统模型可采用以下假定[16 ⇓ ⇓ ⇓ -20 ] :① 桩基为忽略剪切变形的线黏弹性等截面一维Euler-Bernoulli梁杆件,桩基底部为固定支撑,忽略桩侧摩阻力;② 液化土层为无黏性不可压缩流体,不考虑辐射阻尼影响,忽略自由表面波,在面上无限延伸,且初始无扰动;③ 桩周土为均匀饱和两相弹性介质,视作一系列沿纵向分布的土层,土层之间互相独立,土底为固定边界;④ 桩-土接触面良好,桩与液化土、非液化土不产生振动滑移,桩-土耦合体系振动为小变形;⑤ 各桩长度、半径不发生变化,且桩基表面不透水,不考虑桩基自重的影响. ...
1
2019
... 在对地震和波浪等荷载作用下的柔性桩进行动力响应分析时,由于其荷载频率一般较低,对群桩-土耦合系统模型可采用以下假定[16 ⇓ ⇓ ⇓ -20 ] :① 桩基为忽略剪切变形的线黏弹性等截面一维Euler-Bernoulli梁杆件,桩基底部为固定支撑,忽略桩侧摩阻力;② 液化土层为无黏性不可压缩流体,不考虑辐射阻尼影响,忽略自由表面波,在面上无限延伸,且初始无扰动;③ 桩周土为均匀饱和两相弹性介质,视作一系列沿纵向分布的土层,土层之间互相独立,土底为固定边界;④ 桩-土接触面良好,桩与液化土、非液化土不产生振动滑移,桩-土耦合体系振动为小变形;⑤ 各桩长度、半径不发生变化,且桩基表面不透水,不考虑桩基自重的影响. ...
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2019
... 在对地震和波浪等荷载作用下的柔性桩进行动力响应分析时,由于其荷载频率一般较低,对群桩-土耦合系统模型可采用以下假定[16 ⇓ ⇓ ⇓ -20 ] :① 桩基为忽略剪切变形的线黏弹性等截面一维Euler-Bernoulli梁杆件,桩基底部为固定支撑,忽略桩侧摩阻力;② 液化土层为无黏性不可压缩流体,不考虑辐射阻尼影响,忽略自由表面波,在面上无限延伸,且初始无扰动;③ 桩周土为均匀饱和两相弹性介质,视作一系列沿纵向分布的土层,土层之间互相独立,土底为固定边界;④ 桩-土接触面良好,桩与液化土、非液化土不产生振动滑移,桩-土耦合体系振动为小变形;⑤ 各桩长度、半径不发生变化,且桩基表面不透水,不考虑桩基自重的影响. ...
Cyclic lateral response and failure mechanisms of semi-rigid pile in soft clay: Centrifuge tests and numerical modelling
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2017
... 在对地震和波浪等荷载作用下的柔性桩进行动力响应分析时,由于其荷载频率一般较低,对群桩-土耦合系统模型可采用以下假定[16 ⇓ ⇓ ⇓ -20 ] :① 桩基为忽略剪切变形的线黏弹性等截面一维Euler-Bernoulli梁杆件,桩基底部为固定支撑,忽略桩侧摩阻力;② 液化土层为无黏性不可压缩流体,不考虑辐射阻尼影响,忽略自由表面波,在面上无限延伸,且初始无扰动;③ 桩周土为均匀饱和两相弹性介质,视作一系列沿纵向分布的土层,土层之间互相独立,土底为固定边界;④ 桩-土接触面良好,桩与液化土、非液化土不产生振动滑移,桩-土耦合体系振动为小变形;⑤ 各桩长度、半径不发生变化,且桩基表面不透水,不考虑桩基自重的影响. ...
超长期循环荷载作用下海上风机大直径单桩动力特性演变规律研究
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2023
... 在对地震和波浪等荷载作用下的柔性桩进行动力响应分析时,由于其荷载频率一般较低,对群桩-土耦合系统模型可采用以下假定[16 ⇓ ⇓ ⇓ -20 ] :① 桩基为忽略剪切变形的线黏弹性等截面一维Euler-Bernoulli梁杆件,桩基底部为固定支撑,忽略桩侧摩阻力;② 液化土层为无黏性不可压缩流体,不考虑辐射阻尼影响,忽略自由表面波,在面上无限延伸,且初始无扰动;③ 桩周土为均匀饱和两相弹性介质,视作一系列沿纵向分布的土层,土层之间互相独立,土底为固定边界;④ 桩-土接触面良好,桩与液化土、非液化土不产生振动滑移,桩-土耦合体系振动为小变形;⑤ 各桩长度、半径不发生变化,且桩基表面不透水,不考虑桩基自重的影响. ...
Evolution of dynamic characteristics of large diameter monopile of offshore wind turbine under ultra-long term cyclic load
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2023
... 在对地震和波浪等荷载作用下的柔性桩进行动力响应分析时,由于其荷载频率一般较低,对群桩-土耦合系统模型可采用以下假定[16 ⇓ ⇓ ⇓ -20 ] :① 桩基为忽略剪切变形的线黏弹性等截面一维Euler-Bernoulli梁杆件,桩基底部为固定支撑,忽略桩侧摩阻力;② 液化土层为无黏性不可压缩流体,不考虑辐射阻尼影响,忽略自由表面波,在面上无限延伸,且初始无扰动;③ 桩周土为均匀饱和两相弹性介质,视作一系列沿纵向分布的土层,土层之间互相独立,土底为固定边界;④ 桩-土接触面良好,桩与液化土、非液化土不产生振动滑移,桩-土耦合体系振动为小变形;⑤ 各桩长度、半径不发生变化,且桩基表面不透水,不考虑桩基自重的影响. ...
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1982
... 将本文解退化为不考虑竖向荷载时饱和地基中桩顶阻抗解(L ls =0 m,P =0 kN),与Kaynia等[21 ] 、刘圆圆[12 ] 所给出的群桩解进行对比,结果如图3 所示.分别对完全埋入桩和高桩桩间水平相互作用因子的结果进行对比,可以看到退化解与已有解的结果吻合度较好,完全埋入桩相互作用因子与已有解略有差异,这是由于两者所采取的衰减函数形式以及采用的理论模型不同,但变化趋势吻合,验证了本文解的合理性. ...
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2019
... 栾鲁宝[22 ] 已有研究指出,桩间相互作用随着桩间距的增大而减小.因此,只要桩间距无限大时,可以忽略群桩间的相互作用,群桩阻抗可视作各单桩阻抗之和.取桩间距s/d 0 =2 000,对比不同桩数时群桩阻抗的大小,结果如图5 所示.可以看出当桩间距离足够大时,同一频率下群桩阻抗接近于单桩阻抗的桩数倍,验证了本文解的合理性. ...
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2019
... 栾鲁宝[22 ] 已有研究指出,桩间相互作用随着桩间距的增大而减小.因此,只要桩间距无限大时,可以忽略群桩间的相互作用,群桩阻抗可视作各单桩阻抗之和.取桩间距s/d 0 =2 000,对比不同桩数时群桩阻抗的大小,结果如图5 所示.可以看出当桩间距离足够大时,同一频率下群桩阻抗接近于单桩阻抗的桩数倍,验证了本文解的合理性. ...