岩土力学 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (5): 1365-1377.doi: 10.16285/j.rsm.2023.0770

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黏弹性非饱和土中劲性复合桩纵向动力响应分析

柳鸿博1, 2,戴国亮1, 2,周凤玺3,龚志宇1, 2,陈智伟1, 2   

  1. 1. 东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室,江苏 南京 211189; 2. 东南大学 土木工程学院,江苏 南京 211189;3. 兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730050
  • 收稿日期:2023-06-09 接受日期:2023-08-14 出版日期:2024-05-11 发布日期:2024-05-07
  • 通讯作者: 戴国亮,男,1975年生,博士,教授,主要从事岩土工程方面的研究和教学工作。E-mail: daigl@seu.edu.cn
  • 作者简介:柳鸿博,男,1994年生,博士研究生,主要从事桩基动力学方面的科研工作。E-mail: lhb_0803@163.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(No. 52078128,No. 52178317,No. 52378328)

Longitudinal dynamic response of strength composite piles embedded in viscoelastic unsaturated soils

LIU Hong-bo1, 2, DAI Guo-liang1, 2, ZHOU Feng-xi3, GONG Zhi-yu1, 2, CHEN Zhi-wei1, 2   

  1. 1. Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing, Jiangsu 211189, China; 2. School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing, Jiangsu 211189, China; 3. School of Civil Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou, Gansu 730050, China
  • Received:2023-06-09 Accepted:2023-08-14 Online:2024-05-11 Published:2024-05-07
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (52078128, 52178317, 52378328).

摘要: 劲性复合桩作为一种新型桩基,其动力响应分析具有重要的实际意义。基于弹性动力学理论和三相多孔介质模型,考虑劲性复合桩的特殊结构和非饱和土体骨架的非流动黏性特征,利用理论推导和参数分析,分析了分数阶黏弹性非饱和地基中劲性复合桩的纵向振动特性。首先,通过力学平衡推导,建立了劲性复合桩的纵向振动方程,并利用已有的非饱和土体运动控制方程描述桩周土体的动力响应,其中采用分数阶标准线性固体(fractional standard linear solid,简称FSLS)模型表征土体骨架的非流动(频率相关)黏性;然后,经过严格的理论推导,得到了劲性复合桩的桩顶动阻抗解析解答;最后,通过计算案例和参数敏感性分析,讨论了桩和土体参数对劲性复合桩的桩顶动阻抗的影响规律。结果表明:水泥土桩的横截面占比以及桩长的增大均会提高桩顶动阻抗;分数阶数和应变松弛时间的增大以及应力松弛时间的减小均有助于提高桩顶动阻抗;增大土体饱和度或减小土体固有渗透系数亦将提升桩顶动阻抗。

关键词: 劲性复合桩, 非饱和土, 分数阶黏弹性, 动刚度, 动阻尼

Abstract: The strength composite pile, as a novel pile foundation, holds significant practical significance in dynamic response analysis. This study, based on elastic dynamic theory and porous media model, investigated the longitudinal dynamic response of the strength composite pile in fractional viscoelastic unsaturated ground through theoretical derivation and parametric analysis. The research took into account the unique structure of the strength composite pile and the flow-independent viscosity of the soil skeleton. Firstly, the longitudinal vibration equation of the strength composite pile was established through mechanical equilibrium. The dynamic behavior of the soil around the pile was described using the existing governing equations for unsaturated soils, where the fractional standard linear solid (FSLS) model was utilized to characterize the frequency-dependent viscosity of the soil skeleton. Subsequently, the analytical solution of the dynamic impedance at pile head was deduced through a rigorous theoretical derivation. Finally, the study delved into the influence of pile and soil parameters on the dynamic impedance at the pile head through numerical calculations, parameter analysis, and mechanism discussion. The results reveal that an increase in both the cross-sectional proportion of cement-soil pile and the pile length enhances the dynamic impedance at pile head. An increase in the fractional order and the strain relaxation time, along with a reduction in the stress relaxation time, all improve the dynamic impedance at pile head. Additionally, increasing the soil saturation or decreasing its intrinsic permeability also elevates the dynamic impedance at pile head.

Key words: strength composite pile, unsaturated soil, fractional viscoelasticity, dynamic stiffness, dynamic damping

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