[发明专利]一种横向惯性效应径向非均质土中管桩纵向振动分析方法

说明书

本发明公开了一种横向惯性效应径向非均质土中管桩纵向振动分析方法，本方法采用考虑桩身横向惯性效应的管桩纵向振动模型对管桩纵向振动进行了分析，阻尼模型为桩土耦合振动体系提供的阻尼力与应变速率相关，径向非均质性能考虑桩周土体施工扰动效应，将大直径管桩等效为线弹性均质等圆截面Rayleigh‑Love杆，通过考虑桩身的横向惯性效应能够近似模拟三维波动效应，该方法可为桩基动力检测提供理论指导和参考作用。

技术领域

本发明涉及土建领域，更具体地，涉及一种横向惯性效应径向非均质土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桩基抗震、防震设计及桩基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。

关于桩-土纵向耦合振动问题的研究均把桩周土体视为均质或纵向成层性，而在桩基施工过程中，由于挤土、松弛及其他因素的影响，在桩周不同范围内，土体的性质和参数都会发生不同程度的改变，即径向非均质效应。另外，在考虑桩身横向惯性效应研究桩体振动响应问题时大部分研究均假定土体材料阻尼为滞回阻尼，而对非谐和激振问题特别是瞬态激振条件下桩体时域振动响应问题，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，此时用黏性阻尼模型更为合适。

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，提供一种横向惯性效应径向非均质土中管桩纵向振动分析方法，通过采用径向非均质土体模型和黏性阻尼模型，建立并求解了考虑桩身横向惯性效应的管桩纵向振动分析方法，得到了管桩的阻抗函数和桩顶在任意激振力p(t)作用下的速度时域响应。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种横向惯性效应径向非均质土中管桩纵向振动分析方法，其特征在于，包括以下步骤

S1：引入如下假定，建立平面应变条件下径向非均质黏性阻尼土中管桩受纵向激励的振动模型：

(1)假定管桩为线弹性均质等圆截面Rayleigh-Love杆件；

(2)桩周土为一系列相互独立的薄层，忽略土层间相互作用，桩芯土为均质材料；

(3)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，各圈层土体均质，土体材料阻尼采用黏性阻尼模型；

(4)桩土系统振动为小变形，桩土界面完全接触，无脱开和滑移现象，各圈层土界面两侧位移连续、应力平衡；

S2：建立平面应变条件下桩周土的各圈层土体运动方程、桩芯土的运动方程和桩身纵向振动基本方程；

根据步骤S1中的假定，建立桩-土系统边界条件；

S3：使用拉普拉斯变换，求解步骤S2中建立的各运动方程，得到桩周土体的剪切刚度，以对径向非均质黏性阻尼土中管桩的纵向振动进行分析。

优选地，所述步骤S2中，平面应变条件下，桩周土的各圈层土体运动方程为

桩芯土运动方程

桩身纵向振动基本方程为

以上各式中，各符号含义如下：

j＝1～n为圈层的编号顺序，与管桩紧邻的圈层编号为1，n为圈层总数；

r,θ,z为柱坐标系的坐标，其中柱坐标系z轴的零点位于管桩上表面圆心，z轴正方向铅直向下，r轴方向为水平方向，零点位于管桩上表面圆心；t为时间；

为内部区域桩周第j圈层土体的土体位移，为桩芯土的土体位移，u^p(z,t)桩身纵向位移；