[發明專利]基于徑向非均質黏性阻尼土體模型的管樁縱向振動分析方法

在審

• 申請號: 201710602816.5
• 申請日: 2017-07-21
• 公開（公告）號: CN107330223A
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 崔春義;孟坤;梁志孟;楊剛
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 大連至誠專利代理事務所(特殊普通合伙)21242
• 代理人: 楊威,涂文詩

技術領域

本發明涉及土建領域，更具體地，涉及一種基于徑向非均質黏性阻尼土體模型的管樁縱向振動分析方法。

背景技術

樁-土耦合振動特性研究是樁基抗震、防震設計及樁基動力檢測等工程技術領域的理論基礎，一直以來亦是巖土工程和固體力學的熱點問題。

眾所周知，在樁基施工過程中，由于擠土、松弛以及其它擾動因素的影響，使得樁周土體沿樁基徑向存在一定不均勻性，即徑向非均質效應。為考慮此種徑向非均質效應，國內外諸多學者取得了大量成果。這些成果可從不同角度加以分類，從作用的外荷載來看，可分為諧和荷載作用下的頻域響應研究和任意荷載下時域、頻域響應研究；從土體的材料阻尼來看，可分為滯回材料阻尼和粘性材料阻尼；從求解方法來看，可分為解析法、半解析法及數值方法。

土體的材料阻尼是由土體內部顆粒摩擦所引起的能量耗散，這種內摩擦是由介質顆粒結晶結構的缺損、介質顆粒之間的非彈性連接及其他熱彈性過程引起的，是不可避免的，為了考慮這一內摩擦效應，采用考慮阻尼效應的土體線性本構方程，來研究材料阻尼對樁動力響應的影響是非常必要的。

在觀測和實驗基礎上建立的常用線性阻尼本構方程可分為兩類：時域本構方程和頻域本構方程，前者從宏觀物理模型線性粘彈性體出發直接在時域建立；后者則通過與經典的頻域分析方法相匹配在頻域內建立。

線性粘彈性體的時域本構模型，可以由線性彈簧和線性阻尼元件構成，線性阻尼元件的粘性應力與應變率成正比，由這兩種線性單元可以構成各種線性粘彈性本構模型，可以反映真實固體的應力-應變性質。

線性滯回阻尼主要體現在頻域本構中的滯回阻尼比，頻域本構可以理解為時域本構的逆傅里葉變換，滯回阻尼比通常假設為常數，即假設材料處于彈性工作區域內，滯回阻尼比的變化不大，或無明顯趨向性變化。另外，對諧和荷載下的穩態振動問題的頻域分析，能夠近似地反映土體的材料阻尼特性。然而，對非諧和振動(瞬態振動或隨機振動)問題，滯回阻尼模型是不適合的，特別是在研究瞬態激振條件下樁的時域響應時，土阻尼力與振幅有關也與應變速率有關，采用滯回阻尼模型在概念上會引起矛盾，從而產生所謂“動響應的非因果性”，而此時粘性阻尼模型則比較適合，在物理上也更合理。

另外，目前大部分研究均是針對實心樁展開，而對于大直徑管樁，由于樁芯土的存在，必然使得其與實心樁的振動特性存在差異。丁選明等和鄭長杰等同時考慮樁周土和樁芯土，對徑向均質土中管樁振動特性進行求解，并與實心樁結果進行對比，說明了在豎向荷載作用下管樁表現出與實心樁動力特性的不同。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術存在的上述缺陷，考慮樁周土體施工擾動，土體采用黏性阻尼模型，基于復剛度傳遞多圈層平面應變模型，對任意激振力作用下徑向非均質黏性阻尼土中管樁縱向振動特性進行解析理論研究。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種基于徑向非均質黏性阻尼土體模型的管樁縱向振動分析方法，包括以下步驟：

S1：假定樁周土和樁芯土為一系列相互獨立的薄層，忽略土層間相互作用；

S2：樁周土體分為內部區域和外部區域，內部區域劃分任意圈層，每一圈層土體各自為均質、各向同性線性粘彈性體，外部區域土體徑向無限延伸，土體材料阻尼采用黏性阻尼，忽略土體徑向位移；

S3：樁土界面及各圈層土界面兩側位移連續、應力平衡，且樁土系統振動為小變形；

S4：樁身混凝土為線彈性，應力波在樁身中的傳播滿足平截面假定；

S5：根據彈性動力學基本理論，建立平面應變條件下的樁周、樁芯土體和樁身縱向振動方程及邊界條件；

S6：使用Laplace變換，求解步驟5中所述的三個振動方程，得到任意激振力作用在樁頂的時域速度響應函數，以對管樁的縱向振動進行分析。

進一步地，所述步驟S5中的樁周土體、樁芯土體和樁身縱向振動方程分別為：

樁周土體振動方程：

樁芯土體振動方程：

符合平截面假定的樁身縱向振動方程為：