小净距管群桩动力相互作用因子计算方法技术

本发明专利技术属于群桩动力数据处理技术领域，公开了小净距管群桩动力相互作用因子计算方法

【技术实现步骤摘要】
小净距管群桩动力相互作用因子计算方法、装置及系统


[0001]本专利技术属于群桩动力数据处理
，尤其涉及小净距管群桩动力相互作用因子计算方法
、
装置及系统
。

技术介绍

[0002]对建构筑物建在地质条件较差的软土场地（人工填土
、
淤泥土
、
淤泥质土等）上修建中，需对软土场地进行处理加固，以满足承载力和工后沉降的需要
。
管桩因其单桩承载力高
、
挤土效应小
、
造价低
、
桩土变形协调性好等优点，在深厚淤泥土或淤泥质土的路堤地基处理中有很好的应用前景
。
[0003]再者，在海洋基础设施建设中，例如应用于跨海大桥
、
海上石油平台
、
海上风电等工程中的群桩基础
。
在进行群桩力学响应分析时，不仅需要考虑桩
‑
土之间的相互作用，同时需要考虑桩
‑
桩之间的耦合作用，承载机理复杂
。
[0004]为了能够简单
、
有效地反应群桩和土体之间的相互作用，在充分考虑桩
‑
土相互作用的基础上，根据叠加原理，常采用一种桩
‑
桩相互作用的简化计算方法
。
该方法具有概念清晰
、
相互作用机理明确
、
计算简便等优点，在群桩计算中得到了广泛应用，具体可分为三步：
①
通过解析法推导主动桩在外荷载作用下的位移
W11
；
②
考虑桩
‑
土连续性条件，推导桩周土的位移衰减函数；
③
假定被动桩位移
W21
与桩周土位移相同，确定桩
‑
桩动力相互作用因子
α
=W21/W11。
[0005]以上方法适用于陆路桩间距较大的工况，而为了满足海上复杂多变的工作环境，海洋基础建设中常采用小净距群桩
。
但在桩间距小于8倍桩基直径时，需要考虑桩基和桩基之间的相互作用
。
但已有方法仅考虑了桩
‑
桩相互作用中主动桩对被动桩的影响，而忽略了被动桩对主动桩的散射效应
。
对于桩间距较大的群桩基础而言，可忽略该散射效应；但对于海洋工程中桩间距较小的群桩基础而言，主动桩振动引起被动桩振动，而被动桩的振动反过来又会造成主动桩的次生振动，即被动桩的存在会对主动桩产生一定的散射效应
。
[0006]已有方法中，考虑了实体桩的此种散射效应，但针对某沿海地区常用的管桩不适用
。
现有技术考虑了管桩群桩的相互作用，但是忽略了散射效应，不适用于小净距管桩
。
[0007]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术中，桩基也被广泛应用于动力工程的基础中，例如高速铁路基础
、
近海风机基础
、
动力机械基础等
。
而对于沿海地区高速铁路基础
、
近海风机基础等多采用间距较小的管桩进行地基处理，提高基础的承载力
。
已有桩基动力设计方法多针对实体桩，无法考虑小净距管桩的动力相互作用
。
无法精确的控制动力基础的承载力与沉降问题
。
[0008]现有技术由于对于不同桩间距下管桩的动力相互作用因子的变化获取的数据精度低，对管桩不能进行更好的动力设计，对优化管桩的空间布置效果差
。

技术实现思路

[0009]为克服相关技术中存在的问题，本专利技术公开实施例提供了小净距管群桩动力相互作用因子计算方法
、
装置及系统
。
[0010]所述技术方案如下：小净距管群桩动力相互作用因子计算装置，设置有刚性承台与桩基，所述刚性承台与桩基之间填充有桩周土，在桩周土内部埋置有多个管桩组成的群管桩；每个管桩内部均填充有桩芯土；刚性承台位于群管桩上部，桩基位于群管桩下部；所述管桩包括主动管桩和被动管桩；以任意制作完成的管桩为主动管桩，与主动管桩相邻的管桩作为被动管桩
。
[0011]进一步，所述被动管桩产生的散射波改变原有的桩周土的土体应力场，传播至主动管桩位置并与主动管桩相互作用，使主动管桩产生竖向位移包括：（1）竖向动力荷载作用于主动管桩，产生主动竖向位移为；所述竖向动力荷载为刚性承台（1）上作用竖向简谐荷载的
1/n
，为有多少根管桩；其中，管桩长度为，内径为，外径为，桩身横截面积为，弹性模量为，桩身材料密度为；刚性承台上作用竖向简谐荷载，其中为激振圆频率，；（2）主动管桩振动产生的入射波在桩周土中传播至被动管桩位置处，产生桩周土体入射位移，并与被动管桩相互作用，使被动管桩产生被动竖向位移；（3）被动管桩振动在桩周土体中产生散射波，传播至主动管桩位置并与主动管桩相互作用，产生散射竖向位移
。
[0012]本专利技术的另一目的在于提供一种小净距管群桩动力相互作用因子计算方法，应用于所述的小净距管群桩动力相互作用因子计算装置，该方法包括：
S1
，桩芯土和桩周土振动方程建立；
S2
，竖向动力荷载作用于主动管桩时，产生主动竖向位移的求解；
S3
，主动管桩振动位移在桩周土中传播，引起的被动桩位移求解；
S4
，被动管桩振动位移产生散射波在桩周土中传播，引起的主动桩位移求解；
S5
，获取被动桩散射效应的管桩
‑
管桩动力相互作用因子，分析被动管桩散射效应下桩
‑
桩动力相互作用
。
[0013]在步骤
S1
中，桩芯土和桩周土振动方程建立，包括：基于平面应变假定，建立竖向动荷载作用下的桩芯土和桩周土控制方程：，，，，式中：为微分符号，为桩芯土的竖向位移，为径向坐标，为桩芯土体密度，为土体复剪切模量，为土体阻尼比，为桩周土的竖向位移，为桩周土体密度，为土体复剪切模量，为土体阻尼比，为激振频率，为桩芯土密度，为桩芯土剪切模量，为桩周土剪切模量，为复数单位；
通过桩周土和桩芯土的边界条件得到方程（1）和（2）的解为：，，，；式中：为桩芯土系数，为桩周土系数，为激振圆频率，和分别是第一类和第二类修正贝塞尔函数，为主动竖向位移；由此得桩芯土和桩周土对桩基的抗力和为：，，，；式中：为桩芯土抗力，为桩周土抗力，为桩芯土抗力系数，为桩周土抗力系数，为管桩内径，为管桩外径，为桩芯土剪应力，为桩周土剪应力
。
[0014]在步骤
S2
中，竖向动力荷载作用于主动管桩时，产生主动竖向位移的求解，包括：根据弹性力学建立主动桩在外荷载作用下的控制方程为：，，式中：为桩身截面系数，为桩身横截面积，为弹性模量，为桩身材料密度，为纵向坐标，为主动竖向位移，为桩周土抗力，为桩芯土抗力；将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种小净距管群桩动力相互作用因子计算装置，该装置设置有刚性承台（1）与桩基（2），其特征在于，所述刚性承台（1）与桩基（2）之间填充有桩周土（3），在桩周土内部埋置有多个管桩（4）组成的群管桩；每个管桩内部均填充有桩芯土（5）；刚性承台（1）位于群管桩上部，桩基（2）位于群管桩下部；所述管桩（4）包括主动管桩和被动管桩；以任意制作完成的管桩为主动管桩，与主动管桩相邻的管桩作为被动管桩
。2.
根据权利要求1所述的小净距管群桩动力相互作用因子计算装置，其特征在于，所述被动管桩产生的散射波改变原有的桩周土的土体应力场，传播至主动管桩位置并与主动管桩相互作用，使主动管桩产生竖向位移包括：（1）竖向动力荷载作用于主动管桩，产生主动竖向位移为；所述竖向动力荷载为刚性承台（1）上作用竖向简谐荷载的
1/n
，为有多少根管桩；其中，管桩长度为，内径为，外径为，桩身横截面积为，弹性模量为，桩身材料密度为；刚性承台上作用竖向简谐荷载，其中为激振圆频率，；（2）主动管桩振动产生的入射波在桩周土中传播至被动管桩位置处，产生桩周土体入射位移，并与被动管桩相互作用，使被动管桩产生被动竖向位移；（3）被动管桩振动在桩周土体中产生散射波，传播至主动管桩位置并与主动管桩相互作用，产生散射竖向位移
。3.
一种小净距管群桩动力相互作用因子计算方法，其特征在于，应用于权利要求1‑2任意一项所述的小净距管群桩动力相互作用因子计算装置，该方法包括：
S1
，桩芯土和桩周土振动方程建立；
S2
，竖向动力荷载作用于主动管桩时，产生主动竖向位移的求解；
S3
，主动管桩振动位移在桩周土中传播，引起的被动桩位移求解；
S4
，被动管桩振动位移产生散射波在桩周土中传播，引起的主动桩位移求解；
S5
，获取被动桩散射效应的管桩
‑
管桩动力相互作用因子，分析被动管桩散射效应下桩
‑
桩动力相互作用
。4.
根据权利要求3所述的小净距管群桩动力相互作用因子计算方法，其特征在于，在步骤
S1
中，桩芯土和桩周土振动方程建立，包括：基于平面应变假定，建立竖向动荷载作用下的桩芯土和桩周土控制方程：，，，；式中：为微分符号，为桩芯土的竖向位移，为径向坐标，为桩芯土体密度，为土体复剪切模量，为土体阻尼比，为桩周土的竖向位移，为桩周土体密度，为土体复剪切模量，为土体阻尼比，为激振频率，为桩芯土密度，为桩芯土剪切模量，为桩周土剪切模量，为复数单位；通过桩周土和桩芯土的边界条件得到方程（1）和（2）的解为：
，，，；式中：为桩芯土系数，为桩周土系数，为激振圆频率，和分别是第一类和第二类修正贝塞尔函数，为主动竖向位移；由此得桩芯土和桩周土对桩基的抗力和为：，，，；式中：为桩芯土抗力，为桩周土抗力，为桩芯土抗力系数，为桩周土抗力系数，为管桩内径，为管桩外径，为桩芯土剪应力，为桩周土剪应力
。5.
根据权利要求3所述的小净距管群桩动力相互作用因子计算方法，其特征在于，在步骤
S2
中，竖向动力荷载作用于主动管桩时，产生主动竖向位移的求解，包括：根据弹性力学建立主动桩在外荷载作用下的控制方程为：，，式中：为桩身截面系数，为桩身横截面积，为弹性模量，为桩身材料密度，为纵向坐标，为主动竖向位移，为桩周土抗力，为桩芯土抗力；将公式（5）和公式（6）代入公式（7）中得：，解得：，，式中：为桩身位移系数，
、
是由边界条件确定的主动待定系数；
e
为自然数；端承桩的桩顶与桩底边界条件为：
，，式中：为作用于主动桩的竖...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟坤，钟明辰，李秀兵，张思豪，王泉淇，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：