[發(fā)明專利]軸對稱徑向非均質(zhì)土中大直徑樁縱向振動分析方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810165828.0
• 申請日: 2018-02-27
• 公開（公告）號: CN108416130B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 崔春義;梁志孟;孟坤;張?zhí)?/a>
• 申請（專利權(quán)）人: 大連海事大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/13
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 李馨

本發(fā)明提供一種軸對稱徑向非均質(zhì)土中大直徑樁縱向振動分析方法，包括如下步驟：樁周土體采用三維軸對稱模型考慮豎向波動效應(yīng)；樁周土體分為內(nèi)部擾動區(qū)域和外部區(qū)域，內(nèi)部擾動區(qū)域劃分任意圈層，每圈層土體各自為均質(zhì)、各向同性線性粘彈性體，外部區(qū)域土體徑向無限延伸，土體材料阻尼采用黏性阻尼；樁土界面及各圈層土界面兩側(cè)位移連續(xù)、應(yīng)力平衡，且樁土系統(tǒng)振動為小變形；樁身混凝土為線彈性，應(yīng)力波在樁身中的傳播滿足平截面假定；建立三維軸對稱條件下樁周土體和樁身縱向振動方程；使用Laplace變換和分離變量法，求解振動方程，得到任意激振力作用在樁頂?shù)臅r域速度響應(yīng)函數(shù)。本發(fā)明更接近現(xiàn)實模型，可為樁基動力檢測提供理論指導(dǎo)和參考作用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及土建領(lǐng)域，尤其涉及一種基于三維軸對稱徑向非均質(zhì)黏性阻尼土體模型考慮樁身橫向慣性效應(yīng)的樁基縱向振動分析方法。

背景技術(shù)

樁-土耦合振動特性研究是樁基抗震、防震設(shè)計及樁基動力檢測等工程技術(shù)領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)，一直以來亦是巖土工程和固體力學(xué)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(zhì)效應(yīng)。為考慮此種徑向非均質(zhì)效應(yīng)，國內(nèi)外諸多學(xué)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(yīng)研究和任意荷載下時域、頻域響應(yīng)研究；從土體的材料阻尼來看，可分為滯回材料阻尼和黏性材料阻尼；從求解方法來看，可分為解析法、半解析法及數(shù)值方法。

土體的材料阻尼是由土體內(nèi)部顆粒摩擦所引起的能量耗散，這種內(nèi)摩擦是由介質(zhì)顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)的缺損、介質(zhì)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(nèi)摩擦效應(yīng)，采用考慮阻尼效應(yīng)的土體線性本構(gòu)方程，來研究材料阻尼對樁動力響應(yīng)的影響是非常必要的。

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

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

對于三維波動效應(yīng)明顯，由于波的彌散性，采用傳統(tǒng)一維波動理論得到的計算結(jié)果與實際情況存在明顯誤差。針對這一問題，提出了Rayleigh-Love桿模型，通過考慮桿件的橫向慣性效應(yīng)來近似模擬三維波動效應(yīng)，采用該模型能夠較好地模擬樁的實際振動特性。

線性滯回阻尼主要體現(xiàn)在頻域本構(gòu)中的滯回阻尼比，頻域本構(gòu)可以理解為時域本構(gòu)的逆傅里葉變換，滯回阻尼比通常假設(shè)為常數(shù)，即假設(shè)材料處于彈性工作區(qū)域內(nèi)，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(wěn)態(tài)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(tài)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(tài)激振條件下樁的時域響應(yīng)時，土阻尼力與振幅有關(guān)也與應(yīng)變速率有關(guān)，采用滯回阻尼模型在概念上會引起矛盾，從而產(chǎn)生所謂“動響應(yīng)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。

綜上分析，目前在考慮樁身橫向慣性效應(yīng)研究樁體振動響應(yīng)問題時，均采用平面應(yīng)變模型理論，而該模型忽略了土體應(yīng)力、位移分量沿深度的變化，不能反映土體在徑向各層間的聯(lián)系，也不能考慮樁周土體的三維應(yīng)力狀態(tài)、樁-土間的三維動力耦合效應(yīng)。采用三維軸對稱徑向非均質(zhì)土體模型解決上述問題更為合適，但也存在諸多弊端。因此，本發(fā)明提供一種基于三維軸對稱徑向非均質(zhì)黏性阻尼土體模型考慮樁身橫向慣性效應(yīng)的樁基縱向振動分析方法，且尚屬首次運用到樁基振動研究領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容