往复荷载作用下层状地基中高桩基础的动力响应研究

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高桩基础作为常见深基础形式,普遍应用于海洋环境中的码头、跨海大桥、高铁线路的高架桥等场地复杂难度较大的工程中。高桩基础的桩身长细比远大于刚性短桩,更易在动荷载作用下发生失稳或者产生较大的变形,从而导致桩基以及桩基上部结构的破坏。冲刷作用会降低桩-土系统的强度和刚度,成为高桩基础结构失效的主要原因之一。由于地质沉积等原因,土层具有天然层状特性,各层地基土的物理特性常是不同的,则地基土的成层性对横向受荷桩内力与变形的影响不可忽视。工程实践中,桩基受到土-结构相互作用的影响可能在桩顶横向激励下发生复杂的动力响应,桩基水平承载能力也必须满足使用要求。近年来,国内外诸多学者已经对竖向荷载作用下桩基的力学特性进行了分析,但往复水平荷载作用下桩基横向动力响应的研究工作相对较少,故在考虑桩基、场地特征以及桩-土相互作用等多种影响因素的基础上对横向受荷桩的动力学特性进行研究具有非常重要的意义。为精确揭示往复水平荷载作用下层状土场中受冲刷作用的高桩基础动力学特性,基于改进Vlasov地基模型,利用Hamilton原理建立层状土场中横向受荷高桩的动力学模型。利用有限差分法得到包含高桩控制方程的数值矩阵,实现对冲刷作用下土-结构相互作用系统的准确建模,从而求解出受冲刷作用高桩的固有频率;进而用Green函数法求得桩基受迫振动的解析解;最后运用有限元软件对不同工况下的桩基进行数值对比分析,得到以下结论:(1)基于改进Vlasov地基模型建立的层状土场中部分埋置的横向受荷单桩的动力学模型可精确预测冲刷作用对桩基动力学特性的影响。(2)随冲刷程度加剧,层状土场中高桩的第一阶固有频率显著降低,改进Vlasov地基模型中各层土体的地基反力系数均减小,剪切系数则增大。当冲刷至非埋置段桩长l1≥L/2(L为桩长)时,层状土场中部分埋置高桩基础的桩顶响应幅值已大于0.01m,即在动荷载作用下单桩出现横向失稳现象。(3)随第一层土体弹性模量增加,高桩的桩顶响应幅值显著减小,桩身反弯点处位移幅值则增大,第一阶固有频率均增大,若土体的弹性模量增大了约0.5倍,1倍,2倍,高桩基础的第一阶固有频率分别增大了约10%,20%,30%。(4)随桩身长细比增大,桩基的第一阶频率减小,而高阶频率的变化规律较为复杂,同时桩顶位移也显著增大。本论文通过数值计算和参数分析,研究了层状土场的物理特性对受冲刷作用高桩动力响应的影响。在深入研究高桩基础的动力学行为时,充分考虑场地特征和桩-土相互作用,对揭示桩基的动力学特性具有重要意义。研究成果将为横向受荷高桩的动力学设计提供理论指导,并丰富层状地基中高桩基础的动力学研究内容,具有重要的理论意义和应用价值。
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