›› 2015, Vol. 36 ›› Issue (2): 409-422.doi: 10.16285/j.rsm.2015.02.016

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

非饱和土中端承桩水平振动特性研究

章 敏1,王星华2,冯国瑞1   

  1. 1.太原理工大学 建筑与土木工程学院,山西 太原 030024;2.中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075
  • 收稿日期:2014-03-24 出版日期:2015-02-11 发布日期:2018-06-13
  • 作者简介:章敏,男,1984年生,博士,讲师,主要从事桩基动力学方面的科研工作。
  • 基金资助:

    国家自然科学基金(No. 51408393);高等学校博士学科点专项科研基金(No. 20120162110023);太原理工大学校青年基金(No. 2013Z011)。

Horizontal vibration of an end-bearing pile in unsaturated soil

ZHANG Min1, WANG Xing-hua2, FENG Guo-rui1   

  1. 1. College of Architecture and Civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha, Hunan 410075, China
  • Received:2014-03-24 Online:2015-02-11 Published:2018-06-13

摘要: 针对非饱和土中桩的水平稳态振动问题,采用三相多孔介质波动方程,考虑固、液、气三相材料间的惯性和黏性耦合效应以及基质吸力的影响,通过Helmholtz矢量分解及分离变量法解耦波动方程,并将基桩等效为能描述其剪切变形和转动惯性效应的铁摩辛柯(Timoshenko)梁模型,采用Novak三维连续介质模型对非饱和土中端承桩的稳态水平振动进行了理论推导,获得了桩顶水平频域响应解析解,讨论了饱和度对土层和桩顶阻抗的影响以及桩身位移、内力沿深度的分布规律。结果表明,随着土体饱和度的升高,土层复阻抗和桩顶动力阻抗增大,桩身位移和内力则相应地减小;饱和度,包括渗透系数在内的影响仅在土体接近准饱和时才得以发挥;频率较低时,短桩拥有较大的刚度因子。桩长越长,阻抗因子越大,而共振频率越低。当长径比超过10时,桩顶阻抗不再随长径比的增加而改变。

关键词: 非饱和土, 端承桩, 铁摩辛柯模型, 水平振动, 阻抗函数

Abstract: Up to now horizontal vibration response of a single pile in unsaturated soil is analyzed theoretically. The unsaturated soil surrounding pile is described by three-phase poro-elastic theory, which takes into account the viscous and inertial coupling between solid skeleton and pore fluids as well as the matrix suction, while the pile embedded in unsaturated soil is end bearing and treated as a Timoshenko beam model to describe the shear deformation and rotational inertia effects. The Helmholtz decomposition and variable separation method are firstly adopted to decouple the governing equations of the unsaturated soil. And then a rigorous mathematical formulation of the pile-head frequency–response function is deduced by virtue of the three-dimensional continuum model proposed by Novak and the compatibility between the pile and soil. The influences of degree of saturation on the impedances of pile and soil together with the distribution of displacement and internal force along the pile are discussed in detail. Results indicate that both the complex impedance of soil and the dynamic impedance of pile top increase with the increasing degree of saturation of soil, while the deformation and the internal force of pile are reduced. The contribution of pore water to dynamic behavior is made only when the soil is close to the saturated condition. At low frequencies, short pile has a large stiffness factor. A longer pile will lead to a higher damping factor, but a low resonance frequency. The impedance at the top of pile would be approximately invariant as the pile’s slenderness ratio exceeds 10.

Key words: unsaturated soil, end-bearing pile, Timoshenko model, horizontal vibration, impedance function

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[1] 程昊, 唐辉明, 吴琼, 雷国平. 一种考虑水力滞回效应的非饱和土弹塑性扩展 剑桥本构模型显式算法有限元实现[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 676-686.
[2] 程涛, 晏克勤, 胡仁杰, 郑俊杰, 张欢, 陈合龙, 江志杰, 刘强, . 非饱和土拟二维平面应变固结问题的解析计算方法[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 453-460.
[3] 邓子千, 陈嘉帅, 王建伟, 刘小文, . 基于SFG模型的统一屈服面本构模型与试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 527-534.
[4] 李潇旋, 李涛, 彭丽云, . 控制吸力循环荷载下非饱和黏性土 的弹塑性双面模型[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 552-560.
[5] 熊辉, 杨丰, . 文克尔地基模型下液化土桩基水平振动响应分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(1): 103-110.
[6] 刘丽, 吴羊, 陈立宏, 刘建坤, . 基于数值模拟的湿润锋前进法测量精度分析[J]. 岩土力学, 2019, 40(S1): 341-349.
[7] 周凤玺, 柳鸿博, . 非饱和土中Rayleigh波的传播特性分析[J]. 岩土力学, 2019, 40(8): 3218-3226.
[8] 詹良通, 胡英涛, 刘小川, 陈捷, 王瀚霖, 朱斌, 陈云敏. 非饱和黄土地基降雨入渗离心模型试验 及多物理量联合监测[J]. 岩土力学, 2019, 40(7): 2478-2486.
[9] 周凤玺, 高国耀, . 非饱和土中热−湿−盐耦合作用的稳态分析[J]. 岩土力学, 2019, 40(6): 2050-2058.
[10] 陶高梁, 吴小康, 甘世朝, 肖衡林, 马 强, 罗晨晨, . 不同初始孔隙比下非饱和黏土渗透性 试验研究及模型预测[J]. 岩土力学, 2019, 40(5): 1761-1770.
[11] 方瑾瑾, 冯以鑫, 赵伟龙, 王立平, 余永强, . 真三轴条件下原状黄土的非线性本构模型[J]. 岩土力学, 2019, 40(2): 517-528.
[12] 杨明辉, 陈贺, 陈可. 基于分形理论的SWCC边界曲线 滞后效应模型研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(10): 3805-3812.
[13] 陈正汉, 郭 楠、. 非饱和土与特殊土力学及工程应用研究的新进展[J]. 岩土力学, 2019, 40(1): 1-54.
[14] 段晓梦,曾立峰, . 非饱和土的承载结构与岩土广义结构性[J]. , 2018, 39(9): 3103-3112.
[15] 李 宣, 孙德安,张俊然,. 吸力历史对非饱和粉土动力变形特性的影响[J]. , 2018, 39(8): 2829-2836.
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[1] 刘小文,常立君,胡小荣. 非饱和红土基质吸力与含水率及密度关系试验研究[J]. , 2009, 30(11): 3302 -3306 .
[2] 黄建华,宋二祥. 大型锚碇基础围护工程冻结帷幕力学性态研究[J]. , 2009, 30(11): 3372 -3378 .
[3] 王观石,李长洪,陈保君,李世海. 应力波在非线性结构面介质中的传播规律[J]. , 2009, 30(12): 3747 -3752 .
[4] 王朝阳,许 强,倪万魁. 原状黄土CT试验中应力-应变关系的研究[J]. , 2010, 31(2): 387 -391 .
[5] 邓 琴,郭明伟,李春光,葛修润. 基于边界元法的边坡矢量和稳定分析[J]. , 2010, 31(6): 1971 -1976 .
[6] 万少石,年廷凯,蒋景彩,栾茂田. 边坡稳定强度折减有限元分析中的若干问题讨论[J]. , 2010, 31(7): 2283 -2288 .
[7] 闫 铁,李 玮,毕雪亮. 基于分形方法的多孔介质有效应力模型研究[J]. , 2010, 31(8): 2625 -2629 .
[8] 刘 嘉,王 栋. 正常固结黏土中平板锚基础的吸力和抗拉力[J]. , 2009, 30(3): 735 -740 .
[9] 赵尚毅,郑颖人,李安洪,邱文平,唐晓松,徐 俊. 多排埋入式抗滑桩在武隆县政府滑坡中的应用[J]. , 2009, 30(S1): 160 -164 .
[10] 魏厚振,颜荣涛,韦昌富,吴二林,陈 盼,田慧会. 含天然气水合物沉积物相平衡问题研究综述[J]. , 2011, 32(8): 2287 -2294 .