复杂条件下桩-土-水耦合体系水平振动理论研究

论文摘要

高桩基础被广泛应用于港口码头、海上风机、近海平台、深水桥梁等结构物中。在风荷载、波浪荷载、地震荷载等动力荷载和上部结构的自重作用下,高桩基础需要承受巨大的水平动荷载和竖向荷载,导致其受力和变形特性十分复杂。另一方面,由于桩基施工引起的土体扰动和长期荷载作用导致的土体软化,桩周土体通常在径向呈现不均匀性。此外,在港口与海洋工程中,高桩基础上部桩身位于水中,但水体对桩基础动力特性的影响尚不清楚。因此,考虑荷载作用的复杂性、土体的非均质性以及桩-水体耦合作用,对饱和土中高桩基础水平动力特性进行系统和全面的研究,具有重要的科学意义和工程应用价值。本文首先基于饱和多孔介质理论对考虑竖向荷载作用时饱和土中高桩基础水平动力特性进行系统的研究。在此基础上,进一步考虑桩基础-水体动力相互作用,建立水中高桩基础水平振动理论模型,探讨了桩-水体动力相互作用对水中桩基动力特性的影响。主要工作和成果如下:（1）基于Biot饱和多孔介质理论,建立考虑竖向荷载时饱和土中高桩基础水平振动分析模型,引入位移势函数,利用微分算子分解方法和分离变量法,推导了考虑竖向荷载时饱和土中高桩基础水平振动解析解,给出桩顶动力阻抗解析表达式,并讨论土体性质、桩身自由段长度以及竖向荷载大小对桩顶动力阻抗和桩身动力响应的影响。（2）考虑施工扰动和循环软化等因素导致的桩周土体的径向非均质特性,建立能够模拟土体径向非均质特性的理论模型。在将内部区域土体划分为多个同心圆圈层的基础上,采用传递矩阵法得到径向非均质饱和土层水平动力阻抗解,进而得到径向非均质饱和土中高桩基础水平振动解。基于理论解,分析土体径向非均质特性对饱和土层水平阻抗和桩基动力阻抗的影响。结果表明:土体软化（硬化）程度和软化（硬化）范围对土层水平动力阻抗和桩基动力阻抗具有显著影响。（3）在径向多圈层非均质土体模型的基础上,建立同时考虑地基土成层性和径向不均匀性的复杂非均质饱和土中高桩基础水平振动分析模型。首先采用传递矩阵法计算得到径向非均质饱和土层水平动力阻抗解,将每层土体水平动力阻抗代入桩水平振动方程,进而利用传递矩阵法得到复杂非均质饱和土中高桩基础水平振动解,并给出桩顶动力阻抗表达式。基于所得解,对复杂非均质饱和土中高桩基础水平振动特性进行分析。（4）考虑高桩基础-水体动力相互作用,建立水中高桩基础水平振动分析模型。首先推导出桩水平振动引起的动水压力解析表达式。进而考虑桩-土体和桩-水体耦合条件,得到了水中高桩基础水平振动解,并给出了桩顶阻抗解析表达式。基于理论解,讨论动水压力、水深、水体压缩性以及土体性质对桩顶动力阻抗和桩身动力响应的影响。（5）考虑桩-桩芯土以及桩-内域水体的相互作用,建立水中管桩水平振动分析模型。首先推导出内域水体作用于管桩的动水力和桩芯土作用于管桩的水平动反力解析表达式,然后分别求解水中桩段水平振动方程和土中桩段水平振动方程,得到水中管桩水平振动解,并给出桩顶动力阻抗解析表达式。基于理论解,讨论内域水体、水深、管桩内半径以及桩芯土对水中管桩动力阻抗的影响。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 付鹏

导师: 谢康和,胡安峰

关键词: 高桩基础,饱和土,水平振动,径向非均质,层状土,动水压力,水平动荷载,竖向荷载,动力响应,水平阻抗

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,公路与水路运输

单位: 浙江大学

基金: 国家自然科学基金项目(51778572),浙江省自然科学基金项目(LY14E080016)

分类号: U443.15;P75

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.002171

总页数: 154

文件大小: 12338k

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