一种部分埋入式桩基的水平-摇摆振动阻抗确定方法技术

本发明专利技术公开了一种部分埋入式桩基的水平‑摇摆振动阻抗确定方法，包括如下步骤：根据桩周层状饱和土的水平分层情况，沿z轴离散桩身及桩周层状饱和土，根据每一层桩周土体的弱化情况，沿桩基径向圈状离散弱化域饱和土；根据Biot理论建立离散后各圈层饱和土波动方程并求解得到各圈层饱和土的位移场和应力场的矩阵，再计算桩土接触面上的单位水平动反力，求解预先建立的非埋置段桩身的自由横向振动方程以及埋置段桩身在饱和土水平动反力作用下的受迫横向振动方程，得到各桩段力、变形连续条件和桩底边界条件，计算出部分埋入式桩基的水平‑摇摆振动阻抗。本方法能够提高桩基工程中部分埋入式桩基水平‑摇摆阻抗的计算精度。

【技术实现步骤摘要】
一种部分埋入式桩基的水平-摇摆振动阻抗确定方法
本专利技术属于土建
，涉及一种部分埋入式桩基的水平-摇摆振动阻抗确定方法，特别涉及沿海地区的埋入式桩基在风浪长期循环作用下，计算桩周层状饱和土产生循环弱化效应后对部分埋入式桩基的水平-摇摆振动阻抗的影响。
技术介绍
随着桥梁工程、海洋工程的发展，桩基础的设计不再局限于完全埋入式的情形，如图1所示，为部分埋入式桩基被广泛应用于深水桥梁、风电工程、石油钻井平台等结构中。在外荷载的激励下，饱和土和桩身之间存在着动力相互作用，进而改变上部结构的动力特性。因此当上部结构为高耸且顶部质量集中的动力敏感结构时，有必要考虑土与桩基动力相互作用对上部结构动力特性的影响。在研究地震、风和海浪等以水平方向为主的动力相互作用问题中，确定描述部分埋入式桩基桩顶振动位移与外激振荷载关系的水平-摇摆振动阻抗是一个重要环节。部分埋入式桩基础的水平-摇摆振动阻抗是依赖于外荷载频率的复变函数矩阵，其中实部表示刚度系数，虚部表示阻尼系数。现有技术中对桩基础的动力分析主要是从承受地基静荷载的理论中推广而来并采用经验系数加以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种部分埋入式桩基的水平-摇摆振动阻抗确定方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤a：根据桩周层状饱和土的水平分层情况，沿z轴离散桩身及桩周层状饱和土，根据每一层桩周土体的弱化情况，沿桩基径向圈状离散弱化域饱和土；/n步骤b：根据Biot理论建立离散后各圈层饱和土波动方程并求解得到各圈层饱和土的位移场和应力场的矩阵，再基于各圈层位移及应力连续条件计算桩土接触面上的单位水平动反力；/n步骤c：基于所述桩土接触面上的单位水平动反力，求解预先建立的非埋置段桩身的自由横向振动方程以及埋置段桩身在饱和土水平动反力作用下的受迫横向振动方程，得到各桩段力、变形连续条件和桩底边界条件；/n步骤d：利用各桩...

【技术特征摘要】
1.一种部分埋入式桩基的水平-摇摆振动阻抗确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a：根据桩周层状饱和土的水平分层情况，沿z轴离散桩身及桩周层状饱和土，根据每一层桩周土体的弱化情况，沿桩基径向圈状离散弱化域饱和土；
步骤b：根据Biot理论建立离散后各圈层饱和土波动方程并求解得到各圈层饱和土的位移场和应力场的矩阵，再基于各圈层位移及应力连续条件计算桩土接触面上的单位水平动反力；
步骤c：基于所述桩土接触面上的单位水平动反力，求解预先建立的非埋置段桩身的自由横向振动方程以及埋置段桩身在饱和土水平动反力作用下的受迫横向振动方程，得到各桩段力、变形连续条件和桩底边界条件；
步骤d：利用各桩段力、变形连续条件和桩底边界条件计算出部分埋入式桩基的水平-摇摆振动阻抗。


2.根据权利要求1所述的一种部分埋入式桩基的水平-摇摆振动阻抗确定方法，其特征在于，定义部分埋入式桩基础的半径为r0，长度为L，未埋入饱和土的桩身长度L1，部分埋入于含有弱化域的层状饱和黏弹性半空间，顶部受水平及摇摆简谐荷载为Qeiωt和Meiωt；
沿z轴离散桩身及桩周层状饱和土为：将桩土系统自上而下划分为M层，第1层为未埋入饱和土的桩身长度h1，第i层(i＝2,…,M)的层高为土层厚度hi；
沿桩基径向圈状离散弱化域饱和土为：将各层桩周土径向离散成宽度为△r的内圈弱化域及外圈非弱化域，内圈弱化域由内至外径向离散成N个子圈层，非弱化域标号为N+1，各层中第j圈的外半径rj表达式为rj＝r0+j△r/N；
其中Q和M分别为水平和摇摆激振幅值，ω为激振频率，虚数


3.根据权利要求2所述的一种部分埋入式桩基的水平-摇摆振动阻抗确定方法，其特征在于，所述子圈层N≥30。


4.根据权利要求1所述的一种部分埋入式桩基的水平-摇摆振动阻抗确定方法，其特征在于，所述步骤b中根据Biot理论建立黏弹性饱和土微元的波动方程如下：









其中，拉普拉斯算子变量上的点表示对时间的求导运算，u和w分别为与外激振频率ω有关的饱和土固相及液相的位移向量，土骨架，pf为孔隙水压力，α和M为与饱和孔隙介质压缩有关的Biot参数；饱和土的拉梅常数分别为μ＝G(1+iβ)和λc＝λ+α2M，其中，vs，G和β分别为饱和土泊松比，剪切波速以及黏性系数；ρ，ρs和ρf分别为土体总密度，固相密度及液相密度，满足ρ＝nρf+ρs(1-n)，n为饱和土孔隙率，饱和土中的固相和液相的耦合作用采用参数m＝ρf/n和bc＝ρfg/kD表示，其中kD为达西渗透系数，g为重力加速度；
引入如下势函数，求解黏弹性饱和土微元的波动方程，



将式(2)代入式(1a)、(1b)和(1c)整理得到如下两个矩阵方程






其中，φ1和φ2分别为饱和土固相和液相的位移标量，和分别为固相和液相的位移矢量，
由算子分解理论及分离变量法得φi和的解，代入式(2)得到固相径向位移ur，固相环向位移uθ，液相径向位移wr以及液相环向位移wθ的通解为












其中，As、Bs、Cs、Ds、Es、Fs为通解的待定系数，式中，K1()和I1()分别为第一类和第二类一阶虚宗量贝塞尔函数，公式中的符号运算[]'表示对径向坐标r的一阶求导运算；
将式(7)中饱和土的固相和液相位移代入饱和土应力场和位移场的微分关系中，整理后得到第j圈层位移场和应力场的通解，写成矩阵形式如下：
{Sj(r,θ)}＝[tj(r,θ)]{Xj}(8)
其中，{Sj(r,θ)}＝{urj(r,θ)uθj(r,θ)wrj(r,θ)wθj(r,θ)σrj(r,θ)τθj(r,θ)}T，
{Xj}＝{AsjBsjCsjDsjEsjFsj}T。


5.根据权利要求4所述的一种部分埋入式桩基的水平-摇摆振动阻抗确定方法，其特征在于，使方程式(3)和(4)的微分算子行列式为零，式(3)化为：



式中






同理，式(4)化...

【专利技术属性】
技术研发人员：王珏，韩亦鸣，张玉全，叶会然，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32