[发明专利]考虑竖向波动效应径向非均质土中管桩纵向振动分析方法

说明书

本发明公开了考虑竖向波动效应径向非均质土中管桩纵向振动分析方法，涉及土建理论分析技术领域。桩周土体采用三维轴对称模型考虑竖向波动效应；桩周土体分为内部区域和外部区域，内部区域划分任意圈层，每一圈层土体各自为均质、各向同性线性粘弹性体，外部区域土体径向无限延伸，土体材料阻尼采用黏性阻尼，忽略土体径向位移；桩土界面及各圈层土界面两侧位移连续、应力平衡，且桩土系统振动为小变形；桩身混凝土为线弹性，应力波在桩身中的传播满足平截面假定；根据弹性动力学基本理论，建立三维轴对称条件下桩周土体、桩芯土体和桩身纵向振动方程；使用Laplace变换和分离变量法，求解三个振动方程，得到任意激振力作用在桩顶的时域速度响应函数。

技术领域

本发明涉及土建理论分析技术领域，更具体地，涉及一种基于黏性阻尼模型考虑竖向波动效应径向非均质土体中管桩纵向振动分析方法。

背景技术

桩-土耦合振动特性研究是管桩抗震、防震设计及管桩动力检测等工程技术领域的理论基础，一直以来亦是岩土工程和固体力学的热点问题。

众所周知，在管桩施工过程中，由于挤土、松弛以及其它扰动因素的影响，使得桩周土体沿管桩径向存在一定不均匀性，即径向非均质效应。为考虑此种径向非均质效应，国内外诸多学者取得了大量成果。这些成果可从不同角度加以分类，从作用的外荷载来看，可分为谐和荷载作用下的频域响应研究和任意荷载下时域、频域响应研究；从土体的材料阻尼来看，可分为滞回材料阻尼和粘性材料阻尼；从求解方法来看，可分为解析法、半解析法及数值方法。

土体的材料阻尼是由土体内部颗粒摩擦所引起的能量耗散，这种内摩擦是由介质颗粒结晶结构的缺损、介质颗粒之间的非弹性连接及其他热弹性过程引起的，是不可避免的，为了考虑这一内摩擦效应，采用考虑阻尼效应的土体线性本构方程，来研究材料阻尼对桩动力响应的影响是非常必要的。

在观测和实验基础上建立的常用线性阻尼本构方程可分为两类：时域本构方程和频域本构方程，前者从宏观物理模型线性粘弹性体出发直接在时域建立；后者则通过与经典的频域分析方法相匹配在频域内建立。

线性粘弹性体的时域本构模型，可以由线性弹簧和线性阻尼元件构成，线性阻尼元件的粘性应力与应变率成正比，由这两种线性单元可以构成各种线性粘弹性本构模型，可以反映真实固体的应力-应变性质。

线性滞回阻尼主要体现在频域本构中的滞回阻尼比，频域本构可以理解为时域本构的逆傅里叶变换，滞回阻尼比通常假设为常数，即假设材料处于弹性工作区域内，滞回阻尼比的变化不大，或无明显趋向性变化。另外，对谐和荷载下的稳态振动问题的频域分析，能够近似地反映土体的材料阻尼特性。然而，对非谐和振动(瞬态振动或随机振动)问题，滞回阻尼模型是不适合的，特别是在研究瞬态激振条件下桩的时域响应时，土阻尼力与振幅有关也与应变速率有关，采用滞回阻尼模型在概念上会引起矛盾，从而产生所谓“动响应的非因果性”，而此时粘性阻尼模型则比较适合，在物理上也更合理。

另外，目前大部分研究均是针对实心桩展开，而对于大直径管桩，由于桩芯土的存在，必然使得其与实心桩的振动特性存在差异。丁选明等和郑长杰等同时考虑桩周土和桩芯土，对径向均质土中管桩振动特性进行求解，并与实心桩结果进行对比，说明了在竖向荷载作用下管桩表现出与实心桩动力特性的不同。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，考虑桩周土体施工扰动，土体采用黏性阻尼模型，基于复刚度传递多圈层三维轴对称模型，对任意激振力作用下径向非均质黏性阻尼土中管桩纵向振动特性进行解析理论研究。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于黏性阻尼模型考虑竖向波动效应径向非均质土体中管桩纵向振动分析方法，包括以下步骤：

S1：桩周土体采用三维轴对称模型考虑竖向波动效应；