饱和土与桩基动力相互作用分析的基本理论与算法

【作者】 王建华； 陆建飞； 周香莲； 陈锦剑；

【机构】 上海交通大学土木工程系； 江苏大学理学院；

【摘要】 滨海沿江饱和软土地区广泛采用桩基作为高层建筑、桥梁、高铁等结构物的基础。以Poulous为代表的学者们应用单相介质弹性理论对桩基开展了系统的解析解研究,其成果在工程界广泛应用,但未涉及孔隙水压力的作用。随着城市建设发展和人居环境舒适度要求的提高,桩基在地震波、环境振动和交通荷载作用下的性能保障及振动控制问题日益突出。实际上,动荷载作用下的孔压变化是影响桩基性能的关键因素之一。受分析理论和计算方法限制,对动力作用下饱和土孔压变化规律及桩基响应的解析解研究进展缓慢。本文着眼饱和土与桩基础动力相互作用的力学机制,建立了不同荷载条件下饱和土孔压响应的基本解体系,提出了桩土相互作用的解析解和高效算法,克服了解析解超大规模动力计算难题,为饱和软土地区桩基设计和地铁高铁的环境振动控制提供理论依据和技术支撑。主要研究内容如下:(1)考虑饱和土中桩基承受的不同动力荷载形式,采用积分变换及势函数解耦等方法,构建了均质及层状饱和土的完整基本解体系。首次提出了层状半空间饱和土动力分析的TRM方法及饱和土的2.5D基本解,奠定了从固定到移动、简谐到瞬态等不同荷载条件下饱和土与桩基相互作用解析分析的理论基础。(2)基于上述饱和土基本解,系统地建立了饱和土中单桩、群桩和排桩等各类桩基的积分方程计算模型,揭示了饱和土-桩基体系在复杂土层和不同荷载条件下的响应机理与特征。以桩、土应变为协调变量,解决了积分方程在桩土共同作用分析中所面临的收敛性难题。(3)提出了针对大规模桩土动力分析的高效计算模型和优化算法。首次建立了高频情形下Biot理论中流固牵引力的分数导数模型和波数域内饱和土的2.5D边界元方法,提出了波数域内排桩的积分方程及边界元计算模型,实现了饱和土体与结构动力相互作用的高效计算。更多还原