饱和土动力反应分析及其在桩基振动阻抗计算中的应用
杨 军
(清华大学土木工程系 北京 100084)
DYNAMIC ANALYSIS OF SATURATED SOIL AND ITS APPLICATION IN CALCULATING DYNAMIC IMPEDANCE OF PILE
Yang Jun
（Department of Civil Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084 China）
摘要 本文从饱和多孔介质波动问题的Biot理论出发，利用Zienkiewicz给出的u-p和u-w形式的微分方程，对饱和土体动力特性和饱和土中桩的动力阻抗求解方法进行了较深入的研究。主要完成了以下工作： (1) 分别按u-w和u-p方程求解了饱和土体一维压缩和剪切简谐响应解析解。推导过程较为简捷，且适用于多种不同边界条件。 (2) 利用上述的一维压缩简谐响应解析解，探讨了饱和多孔介质中两类压缩波的独立作用，克服了以往研究中的数学不严密性。研究表明，饱和多孔介质中所存在的第二类压缩波有较大的衰减性和有限的作用范围，渗透性系数和外荷载频率对两类压缩波的作用有很大影响。同时，还研究了以前被忽略的不同边界条件对两类压缩波的独立作用的影响，对饱和土动力特性的认识更加全面。 (3) 利用u-w方程一维简谐响应解析解，研究了饱和多孔介质中波的传播特性——荷载频率、渗透性、孔隙度对波速以及波衰减的影响。研究表明三种波波速都随渗透系数和频率的增大而增大，但第一类压缩波和剪切波波速与频率和渗透系数的相关性远小于第二类压缩波。通过对比u-w和u-p方程的结果，首次定量说明了u-p方程适用于包含地震工程在内的大多数工程问题。 (4) 构建了完整的u-p有限元方程及其求解方法，并编制了国内外文献中未见报道的饱和土三维动力有限元程序。程序中包含了对人工边界的处理和无条件稳定的交叉叠代法。并提出了一种用时域有限元程序求解动力阻抗的方法。 (5) 用上述程序计算了几个典型算例，并讨论了有限元计算中的若干问题：对一维问题研究了一维固结和冲击荷载的作用，验证了传输边界，并讨论了计算精度对单元尺寸的要求；对二维问题求解了条形基础的动力阻抗，讨论了有限厚饱和土层的截止频率以及传输边界中对剪切项系数的修正；对三维问题用有限元方法计算了饱和土中桩的动力阻抗，为后面相应问题简化模型的参数取值提供了参照。 (6) 将求解单相弹性体中桩的刚度和阻尼系数的Gazetas平面假设和分象限假设加以发展，应用到饱和土中桩的刚度和阻尼系数的确定。求解了薄层辐射阻尼的解析解，并拟合了包含足够信息同时又便于使用的近似公式。然后根据功的等效原理得到饱和土中与各薄层阻尼求积等效的桩头辐射阻尼系数。最后通过有限元计算、简化算法和试验结果的对比，展示了所建议简化模型的可用性。
关键词 ：
饱和土 ,
三维有限元 ,
动力阻抗 ,
桩基础 ,
传输边界
引用本文:
杨 军. 饱和土动力反应分析及其在桩基振动阻抗计算中的应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2002, 21(12): 1907-1907.
链接本文:
https://rockmech.whrsm.ac.cn/CN/Y2002/V21/I12/1907
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