（水工结构工程专业论文）桩—土相互作用计算模型及其在桩基结构抗震分析中的应用.pdf

摘要 作为一种强度高、承载力大、耐久性好的重要深基础形式，桩基础在高层建 筑、大型厂房、水利水电枢纽、铁路工程、公路工程、桥梁工程、近海采油平台、 核电站等土木、水利工程中得到了广泛应用。但由于桩一土一结构动力相互作用 的机理与工作性能极其复杂，目前仍有很多问题没有得到彻底解决。为此，本文 紧密围绕桩一土一结构动力相互作用特性研究中存在的主要问题，在单桩的动力 阻抗计算方法与简化模型以及单桩、群桩和上部结构的动力响应分析等方面进行 了系统而深入的研究。论文的主要研究内容及所取得的研究成果具体包括以下几 个方面。 1 当运用子结构方法分析桩一土一结构体系的动力相互作用特性时，桩基动 力阻抗的合理确定是一个关键的问题。本文运用土动力学和结构动力学原理，基 于改进的w i n k l e r 地基梁模型，同时综合考虑桩周土的弱化效应、地基土的成层非 均质性以及水平荷载作用时桩一土界面的相对分离效应和竖向荷载作用时桩一土 界面的相对滑移效应，建立了水平荷载和竖向荷载作用下单桩动力阻抗的简化计 算力学模型与分析方法，并进行了算例分析，将所得到的计算结果与有限元方法 的分析结果及试验结果进行了对比分析，验证了建议分析方法的合理性，进而通 过变动参数对比计算与分析，探讨了桩周土域弱化范围与弱化程度、桩一士界面 接触状态、桩体长细比和桩一土刚度比等对单桩水平和竖向动力阻抗的影响规律。 2 单桩的动力响应特性研究是桩一土一结构相互作用分析中的一个重要而 基本的内容。本文将桩视为置于w i n k l e r 模型地基中的梁，运用土动力学和结构动 力学原理，分别对土和桩建立了波动方程与振动微分方程，并利用分离变量法进 行求解，建立了能同时考虑桩周土在振动过程中的弱化效应和地基土的成层非均 质性的单桩简谐动力响应分析的简化解析方法：通过与有限元计算结果的对比分 析，验证了本文简化解析方法的合理性；进而通过变动参数比较分析，探讨了桩 周土域弱化范围与弱化程度、地基土层条件、桩体长细比和桩一土刚度比等对单 桩水平和竖向简谐动力响应特性的一般影向规律。 3 群桩是实际工程中普遍采用的桩基形式，由于要考虑桩一土一桩的相互作 用效应，因此，群桩的动力响应特性远比单桩的复杂。本文根据动力相互作用系 数的基本定义和求解步骤，引入某些假定，分别计算了两根桩之间的水平和竖向 动力相互作用系数，并对桩间距与桩直径之比、两桩水平连线与荷载作用方向之 间的夹角、桩一土刚度比和桩体长细比等参数对水平和竖向动力相互作用系数的 影响进行了计算与分析；然后，运用动力相互作用系数的叠加原理分别对群桩的 水平和竖向动力响应特性进行了分析，得到了群桩的整体位移、群桩的动力阻抗 和各单桩分担的荷载；最后，针对具有代表性的2 x 2 群桩和3 x3 群桩进行了算 例分析。 4 将桩一土一结构耦台系统按线性体系考虑时，可以直接在频率域上进行动 力响应分析，但对于非线性体系，由于桩基与上部结构之间的相互作用力表现为 动力阻抗与输入地震动之卷积积分的形式，且动力阻抗依赖于激振频率，因此， 在时域上直接进行桩一土一结构动力相互作用体系的地震响应分析就变得十分复 杂和困难，目前对这个问题的研究尚不成熟。本文在对现有分析方法与计算模型 综合分析的基础上，提出了一种改进的非线性动力w i n k l e r 模型，并运用最小二乘 法，通过m a t l a b 语言编程，确定了模型中各物理元件的参数，将桩基的动力阻抗 用一系列与频率无关的弹簧、阻尼器、滑动块和集中质量等物理元件按某种串联 或并联的组合模型来表达，从而为桩一土一结构耦合体系的非线性时域分析奠定 了基础。 5 桩一土一结构相互作用体系的抗震性能分析是土木工程实践中一个非常 复杂而且重要的问题。本文首先运用子结构分析方法，将上述桩基动力阻抗的研 究成果和改进的非线性动力w i n k l e r 模型应用于桩基结构的抗震分析中；为便于进 行对比验证分析，考虑桩一土相互作用效应，建立了桩基结构地震响应分析的整 体有限元计算模型，通过对现有计算软件的二次开发，发展了桩土一结构体系 地震响应分析的整体有限元计算程序。然后，针对某一工程实例，分别运用子结 构分析方法和整体有限元数值计算方法对桩一土一结构体系的地震响应特性进行 了对比计算与分析，研究表明，两种方法所得到的计算结果是基本一致的，同时， 得到了地震动的频谱特性和输入地震动的加速度幅值对桩基结构地震响应特性的 影响规律，所得到的计算结果和有关结论将为桩基结构的抗震分析与工程设计提 供参考依据。 关键词：桩土一结构体系；相互作用；单桩；群桩；非均质土层：弱化效应； 动力响应；动力阻抗；相对分离；相对滑移；动力w i n k l e r 模型：有限元 分析 a b s t r a c t b e c a u s eo fi t s h i g hs t r e n g t h ，g r e a t b e a r i n gc a p a c i t y a n df i n e d u r a b i l i t y , p i l e f o a n d a t i o n sh a v eb e e nw i d e l yu s e di n c i v i lc o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n gs u c ha sh i g n b u i l d i n g s ，l a r g ew o r k s h o p s ，h y d r a u l i cp o w e rs t a t i o n s ，r a i l w a y s ，h i g h w a yr o a d s ，b r i d g e s ， o f f s b o r e p l a t f o r m s a n dn u c l e a rp o w e rp l a n t s h o w e v e rt h ed y n a m i ci n t e r a c t i o no t p i l e s o i l s t r u c t u r es y s t e mi sv e r yc o m p l e x a n d 也e r ea r es o m ei s s u e st h a th a v en o tb e e n w e l ls o l v e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e a ni n t e n s i v es t u d yi sr e q u i r e df o rc o n s i d e r a t i o no n d y n a m i cp i l e s o i l s t r u c t u r e i n t e r a c t i o ne f f e c ti nt h e a n a l y s i s a n d d e s i g n o f p i l e s u p p o r t e d s t r u c t u r e s t h e r e f o r e 恤e s i m p l i f i e d a n d y e t r a f t o n a i c o m p u t a t i o n a l m e t h o da n dm e c h a n i c a lm o d e lf o rr e p r e s e n t a t i o n o fl a t e r a la n dv e r t i c a l d y n a m i c i m p e d a n c e f u n c t i o no fp i l e s n u m e r i c a lm e t h o df o re v a l u a t i n gd y n a m i cr e s t ) o n s e b e h a v i o ro ft h ei n t e r a c t i o ns y s t e mo fs i n g l ep i l eo rp i l eg r p u pa n ds u p e r s t r u c t u r ea r e m a i n l yc o n c e r n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i nr e s e a r c ha n dr e s u l t si n v o l v e d i nt h e d i s s e r t a t i o ni n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s i a so n eo ft h ek e yi s s u e si nt h es t u d yo fd y n a m i cb e h a v i o ro fp i l e - s u p p o r t e d s t r u c t u r e sb yt h es u b s t r u c t u r em e t h o d ，t h ed y n a m i ci m p e d a n c eo f p i l ef o u n d a t i o ns h o u l d b er a t i o n a l l ye v a l u a t e df o rc o n s i d e r i n gt h ee r i e c to fs o i l p i l ed y n a m i ci n t e r a c t i o n i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，b a s e d o nac e r t a i n a s s n m p t i o n $ a n dt h ei m p r o v e dd y n a m i em o d e lo f b e a m o n w i n k l e r sf o u n d a t i o n as i m p l i f i e dm e c h a n i c a lm o d e lf o rc o m p u t i n gt h e1 a t e r a l a n dv e r t i c a ld y n a m i ci m p e d a n c eo f s i n g l ep i l ee m b e d d e di nl a y e r e ds o i l si se s t a b l i s h e d b yu s i n gt h ep r i n c i p l eo f s o t ld y n a m i c sa n ds t r u c t u r a ld y n a m i c s 耶1 cs o r e n i r i ge 疵c to f s o i l sa r o u n dp i l ed u r i n gv i b r a t i o na n dn o n h o m o g e n e i t yo fs o i ls t r a t aa sw e l la st h e d i s c o n t i n u o u sb e h a v i o rs u c ha st h ed e - b o n d i n ga n dr e l a t i v es l i p p a g ea l o n gp i l e s o i l i n t e r f a c ea r es i m u l t a n e o u s l yt a k e ni n t oa c c o u n t i ti ss h o w nt h r o u g hc o m p a r a t i v es t u d y f o ra g i v e ne x a m p l et h a tt l l ed y n a m i ci m p e d a n c e o f s i n g l ep i l en u m e r i c a l l yc o m p u t e db y t h ep r o p o s e dm e t h o da r er e l a t i v e l yr a t i o n a la n dc a nw e l la g r e ew i t ht h ec o m p u t a t i o n a l a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sc n r r e n t l ya v a l l a b l e ，f i n a l l yt h ep a r a m e t r i cs t u d i e sa r em a d ef o r aw i d er a n g e so fm a i nv a r i e dp a r a m e t e r si n v o l v e dt oe x a m i n et h ee f f e c to ft h es o r e i l i n a r e aa n ds o f t e n i n g d e g r e eo fs o i l s a r o u n dp i l e ，t h ec o n t a c tc o n d i t i o n so fp i l e s o l l i n t e r f a c e t h es l e n d e r n e s sr a t i oo fp i l ea n dt h e p i l e s o t l s t i f f n e s sr a t i oo nd y n a m i c i m p e d a n c e so f s i n g l ep i l ee m b e d d e d i nl a y e r e d n o n h o m o g e n e o u ss o i l s 2 t h ed y n a m i cr e s 口o n s ec h a r a c t e r i s t i c so f s i n g l ep i l ei so n eo f t h em o s ti m p o r t a n t a s p e c t s i nt h e s t u d y o fd y n a m i cp i l e s o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n i nt h i s d i s s e r t a t i o n c o n s i d e r i n gt h es o f t e n i n ge f f e c to f s o i l sa r o u n dp i l ea n dt h en o n h c m o g e n e i t yo fs o i l s t r a t a s i m u l t a n e o u s l y , as i m p l i f i e da n a l y t i c a l m e t h o df o r c o m p u t i n gt h e 1 a t e r a la n d v e r t i c a l d y n a m i cr e s 口o n s e c h a r a e t e r i s t i e so fs i n g l e p i l e t oh a r m o n i ce x c i t a t i o n i s e s t a b l i s h e d i ti ss h o w nt h r o u g ht h ei l l u s t r a t i v es t u d i e so nag i v e ne x a m p l et h a tt h e d y n a m i cr e s p o n s eo fs i n g l ep i l en u m e r i c a l l yc o m p u t e db yt h ep r o p o s e dm e t h o da r e r a t h e rr e a s o n a b l ea n dc a nw e l la g r e ew i t i lt h en u m e r i c a ls o l u t i o n sg a i n e df r o mf i n i t e e l e m e n t a n a l y s i sb yu s i n gw e l l - k n o w ns o f t w a r e f i n a l l yt h ep a r a m e t r i cs t u d i e sa r em a d e f o raw i d e r a n g eo f m a i nv a r i e dp a r a m e t e r st oe x a m i n et h ee f f e c t so f t h es o f t e n i n ga r e a a n ds o f t e n i n gd e g r e eo fs o i l sa r o u n dp i l e ，t h em e c h a n i c a lc o n d i t i o n so f s o t ls t r a t a , t h e s l e n d e r n e s sr a t i oo f p i l e a n dt h e p i l e s o i l s t i f f n e s sr a t i oo n d y n a m i cr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c so f s i n g l ep i l ee m b e d d e d i nn o n h o m o g e n e o u sl a y e r e ds o i l st oh a r m o n i c l o a d i n gw i t hd i f f e r e n te x c i t a t i o nf r e q u e n c i e s 3 i ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，p i l eg r o u pi sa w i d e l ya p p l i e df o r mo fp i l ef o u n d a t i o n s i n c et h ep i l e s o i l p i l ei n t e r a c t i o ne f f e c ts h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n t f o rp i l eg r o u p t h e d y n a m l cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fp i l eg r o u pa r em u c hm o l ec o m p l e xt h a nt h a to f 1 1 1 s i n g l ep i l e b a s e do nt h e d e f i n i t i o na n ds o l v i n gp r o c e d u r e so fd y n a m i ci n t e r a c t i o n c o e 茄c i e n ta n d ac e r t a i n a s s u m p t i o n s ，l a t e r a l a n dv e r t i c a l d y n a m i c i n t e r a c t i o l _ c o e f f i c i e n t so ft w op i l e sa r ec o m p u t e d a l s ot h ee f f e c t so f t h er a t i oo fd i s t a n c eb e t w e e n t w op i l e st o p i l ed i a m e t e r , t h ea n g l eb e t w e e nt h e l i n e l i n k i n g t w op i l e sa n dt i l e o r i e n t a t i o no f1 0 a d i n g t h ep i l e s o i ls t i f f n e s sr a t i oa n dt h es l e n d e r n e s sr a t i oo fp i l eo n l a t e r a la n dv e r t i c a li n t e r a c t i o nc o e m c i e n t sa r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y 。t h e nl a t e r a la n d v e r t i c a l d y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s o fp i l e g r o u p a r e a n a l y z e db yu s i n gt h e s u p e r p o s ep r i n c i p l e t h ed i s p l a c e m e n ta n d t h ed y n a m i c i m p e d a n c e o f p i l eg r o u p a sw e l l a st h el o a d sr e s p e c t i v e l ys h a r e db ye a c hs i n g l ep i l ea m o n gp i l eg r o u pa r eo b t a i n e d f i n a l l yt w ot y p e so f p i l eg r o u p w i t h2 2a n d 3 3p i l e sa r ea n a l y z e d 4 t h ed y n a m i cr e s p o n s eo f p i l e s o i l s t r u c t u r es y s t e mc a nb es o l v e de f f e c t i v e l yi n 疗e q u e n c yd o m a i ni ft h es y s t e mi sl i n e r t f o rn o n l i n e a rs y s t e m h o w e v e r , i tw i l lb e c o m e v e r yc o m p l e xa n dd i f f i c u l tt od i r e c t l ya n a l y z et h ep i l e s o i l - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o ni nt i m e d o m a i n b yu s i n gt h ef r e q u e n c y - d e p e n d e n td y n a m i ci m p e d a n c e i no r d e rt oc o n s i d e rt h e i n t e r a c t i o ne f f e c ta n df r e q u e n c y d e p e n d e n tn a t u r eo fd y n a m i ci m p e d a n c e s ，a n i m p r o v e d d y n a m i cw i n k l e r sm o d e l i sd e v e l o p e d i nt h i sl u m p e d - p a r a m e t e rm e c h a n i c a lm o d e l a s e r i e so f s p r i n g s ，d a s h p o t sa n dm a s s e sa r ec o m b i n e dt o g e t h e ri na c e r t a i nf o r mt h a tc a n r e p r o d u c et h ef r e q u e n c y + d e p e n d a n tc h a r a c t e r i s t i c so fd y n a m i ci m p e d a n c e s t h er e l e v a n t p a r a m e t e r s o fa l l p h y s i c a l e l e m e n t si n v o l v e di nt h em o d e la r ed e t e r m i n e d b y l e a s t - s q u a r e m e t h o d t h e r e f o r ed y n a m i ci m p e d a n c e so fp i l ef o u n d a t i o nc a nb e s i m u l a t e db yt h ec o m b i n a t i o no ft h e s ep h y s i c a le l e m e n t s a c c o r d i n g l yt h ei m p r o v e d d y n a m i cw i n k l e r sm o d e lw i l lb ee a s i l yi n c o r p o r a t e di nt h ed y n a m i ce q u a t i o n so ft h e s u p e r - s t r u c t u r ea n d t i m e d o m a i na n a l y s i sc a nb eo p e r a t e df o rt h en o n l i n e a r s y s t e m 5 t h e s t u d y o ne a r t h q u a k e r e s i s t a n tb e h a v i o ro fp i l e s o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n s y s t e mi sar e l a t i v e l yc o m p l i c a t e da n dp r i m a r i l yi m p o r t a n ti s s u ci nc i v i le n g i n e e r h a g p r a c t i c e b a s e d o nt h ea b o v e i n v e s t i g a t i o n s ，t h e s u b s t r u c t u r em e t h o df o rs e i s m i c r e s p o n s ea n a l y s i so fp i l e s o i l s t r u c t u r es y s t e mi sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a tt h e s a m et i m e ，ac o m p u t a t i o n a lm o d e la n d p r o c e d u r eb a s e d o nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o df o r p i l e - s u p p o r t e ds t r u c t u r e s ，w h i c hc a nd u l yc o n s i d e rt h ep i l e s o i li n t e r a c t i o ne f f e c ti s i l l u s t r a t e d a n daf e mc o m p u t e r p r o g r a m f o r a n a l y z i n g t h es e i s m i c r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c so f p i l e s o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e di nt h ef r a m e w o r ko f c u r r e n ts o f t w a r ei nw h i c hn u m e r i c a ln o n l i n e a r a n a l y s i s i nt h et i m e 。d o m a i ni s i m p l e m e n t e d i h e nc o m p a r a t i v es t u d i e sa r ep e r f o r m e df o ra ne n g i n e e r i n ge x a m p l ea n d n u m e r i c a lr e s u l t sa r ec o m p u t e d r e s p e c t i v e l yb y t h eg l o b a lf i n i t ee l e m e r i tm e t h o da n dt h e s u b s t r u c t u r em e t h o dg i v e ni nt h et h e s i s t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i s i ti ss h o w n t h a t t h er e s u l t sc o m p u t e d b y t h es u b s t r u c t u r em e t h o dc a l lw e l la g r e e 谢t ht h ec o m p u t a t i o n a l r e s u l t sa c h i e v e d b y 血ef i n i t e e l e m e n t m e t h o d s i m u l t a n e o u s l y , t l l ep e a k l a t e r a l a c c e l e r a t i o n a m p l i f i c a t i o nf a c t o r s ，t h ep e a k1 a t e r a lr e l a t i v e d i s p l a c e m e n t sa n dt h e a c c e l e r a t i o nr e s p o n s e s p e c t r a o ft y p i c a ln o d e so ft h e p i l e s o i l - s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n s y s t e me x c i t e db yt h r e ed i f i e r e n ti n p u te a r t h q u a k e sa r eo b t a i n e d f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c t o fa m p l i t u d e so fi n p u t e a r t h q u a k e o nt h ea c c e l e r a t i o na n dt h e d i s p l a c e m e n tt i m e h i s t o r i e s ，t h ep e a kl a t e r a la c c e l e r a t i o na m p l i f i c a t i o nf a c t o r s t h ep e a k1 a t e r a lr e l a t i v e d i s p l a c e m e n t so ft h ep i l e - s u p p o r t e ds t r u c t u r e sa n dt h ei n t e m a lf o r c e so ft h et y p i c a l s e c t i o n sa r ee x a m i n e d a ut h e s en u m e f i c a lr e s u l t sa n d f i n d i n g sw i l lo f f e ra ni n s t r u c t i v e g u i d e l i n ef o re a r t h q u a k e r e s i s t a n ta n a l y s i sa n de n g i n e e r i n gd e s i g no ft h ep i l e s u p p o s e d s t r u c t u r e si np r a c t i c e k e yw o r d s ：p i l e - s o i l s t r u c t u r es y s t e m ；d y n a m i ci n t e r a c t i o n ；s i n g l ep i l e ；p i l e g r o u p ： n o n 。h o m o g e n e o u s s o i l s t r a t a ；s o f t e n i n ge f f e c t ；d y n a m i c r e s p o n s e c t m r a c t e r i s t i c s ；d y n a m i ci m p e d a n c e ；r e l a t i v es e p a r a t i o n ；r e l a t i v es l i p p a g e ： d y n a m i cw i n k l e r sm o d e l ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 一一一 i v 第一章绪论 第一章绪论 摘要：桩一土结构动力相互作用分析是高层建筑、桥梁工程、海岸与近海工程建设与设计中 普遍关心的问题，是结构工程、岩土工程与地震工程的交叉研究领域。本章对这一专题的研究意 义、国内外研究现状与发展动态进行了简要评述，对各种分析理论与计算方法进行了对比分析， 指出了桩一土一结构动力相互作用研究中存在的主要问题，简要概述了论文的主要研究工作、所 采用的技术路线和论文的组织结构。 关键词：桩十一结构体系：动力相互作用；动力荷载；动力阻抗；动力响应 士 丘 桩基础是一种历史悠久的基础形式，据考古证实，至今已有1 2 0 0 0 年1 4 0 0 0 年的历史，对桩基础的理论研究也已有1 0 0 多年的历史了，但在历次大地震中仍 出现了较严重的桩基础破坏现象。近几十年来，通过对发生在日本的1 9 4 8 年福井 地震、1 9 5 2 年十胜冲地震、1 9 6 4 年新泻地震、1 9 9 5 年k o b e 地震和发生在美国的 1 9 6 4 年a l a s k a 地震、1 9 8 5 年m e x i c o c i t y 地震以及发生在中国的1 9 7 5 年海城地震、 1 9 7 6 年唐山地震等的历次强震观测和震害调查表明，桩基础的破坏主要有液化破 坏、剪切破坏和桩帽脱落破坏三种基本形式，如图1 1 所示。地基的液化破坏会使 桩基的整体位移过大以致发生整体倾覆，液化砂层的界面是较大弯矩和较大剪力 出现的危险部位。地基土层交界面处的刚度突变会引起桩基的水平剪切破坏。桩 顶与桩帽的连接处是桩基础的薄弱环节，桩帽脱落破坏也是常见的桩基震害现象。 随着我国城市建设的大规模发展，城市建设立体化、交通高速化和综合居住 环境完善化己成为现代土木工程的重要特征。各种高、大、重、深建筑物的不断 出现，对地基基础提出了更高的要求。桩基础以其承载力大、稳定性好、沉降小、 能适应各种地质条件和荷载情况等特点得到了广泛的应用。特别是2 0 世纪7 0 年 代以来，随着海洋石油工业的发展，桩基式海洋平台的建造日益增多，同时，陆 地上与滨海地区的一些重要工程，如核电站、深水港码头、大跨度桥梁及软土地 基上的高层建筑等也广泛采用桩基础。地震荷载作用下的桩一土一结构动力相互 作用已成为国内外工程界和学术界研究的热点问题。 桩一土一结构动力相互作用是高层建筑、桥梁工程、海岸和近海工程建设与 设计中普遍关心的问题之一，是结构工程、岩土工程与地震工程的交叉研究领域。 由于涉及到上部结构、下覆无限地基、桩基础及其组成材料的非线性和远场地面 圣塾堇墨型里耋：篓= 圭= 堑塑垫垄塑互堡旦墨墨笙塑塾垄堂塑圭塾垄兰主量垄 大连理工大学博士学位论文 复杂的课题之一，受到了广泛关注。 ( a ) 桩头从桩帽处脱落( b ) 桩头处剪断( c ) 软硬土分界面处剪断 ( d ) 整体倾斜( e ) 横向变形过太( d 桩帽破坏 图1 a 地震作用下桩基的主要破坏影式 f i g i 1 t h e m a i n 如i l u r e m o d e so f p i l e f o u n d a t i o n s u n d e r s e i s m i c l o a d i n g 在大多数桩基工程结构的抗震设计中。一般采用不考虑桩一土一结构相互作 用的分离设计方法。这种把桩基与上部结构分割开来，各自进行独立设计的方法， 由于没有考虑相互作用引起的地震作用效应的减小，可能会使设计过于保守。同 时，这种设计方法又存在一定的盲目性，有时并不能保证上部结构的安全性，这 一点已被实际地震中桩基结构破坏的实例所证实。在地震荷载作用下，由于桩和 结构的存在，地基土的运动明显不同于自由场地运动，土层对地震波的过滤和放 大效应将会改变结构的地震响应特性，同时，地基的刚度和阻尼也会影响桩基和 上部结构的承载和变形性态。相互作用效应使结构体系的自振周期延长，阻尼比 增加，加速度减小，这是一个复杂的耦合体系的动力相互作用过程。只有应用桩 一土一上部结构相互作用的理论，才能比较真实地反映其实际工作状态，也才可 能使设计更为安全可靠与经济合理。因此，为深入探讨地震作用下桩一土一结构 动力相互作用的机理，了解桩一土一结构动力相互作用的基本规律，提高桩基结 构的安全性和可靠性，必须进行地震荷载作用下桩一土一上部结构动力相互作用 特性的研究。地震荷载作用下桩一土一结构动力相互作用的研究可以有效的利用 第一章绪论 桩一土一结构体系的材料特性与力学特性、加大桩距、减少桩数、合理布桩、减 小承台的尺寸、改变上部结构，从而有效的控制地震作用效应、降低基础和上部 结构的内力和沉降、节省工程造价。 动力荷载作用下，桩一土一结构耦合体系是一个复杂的相互作用系统，近几 十年来得到了国内外学者的普遍重视，针对这一课题开展了广泛的研究，提出和 发展了各种分析理论、计算模型和设计方法，但由于研究问题的复杂性，现有认 识仍不能满足现代工程设计的需要。 1 2 桩一土一结构动力相互作用的研究现状 1 2 1 单桩一土动力相互作用研究 在桩基动力学中，研究的最早相对也较为成熟的问题是单桩一土系统在动力 荷载作用下的相互作用。根据桩周土计算模型和模拟方式的不同，现有的单桩一 土相互作用分析理论和研究方法可归纳为解析方法、离散模型方法、数值方法和 实验方法四类方法【l l 。在分析中，一般将桩视为一维杆件。研究表明，在桩一土相 互作用分析中，最重要的问题是对桩周土的力学性态的正确模拟以及地基土对桩 基动力反应特性影响的合理考虑。 1 2 1 1 解析方法 解析方法通常以线弹性或粘弹性均匀连续介质中的三维波传播理论为基础确 定地基反力。这类方法能正确的表示几何阻尼和土层的共振现象，但是无法反映 桩一土界面上的几何非线性行为。 n o v a k 口刮等引入平面应变假设，将土介质假设为线粘弹性水平成层介质，同 时假定桩是完全弹性的，且与桩周土完全接触，确定了成层地基的竖向和水平向 阻抗系数，进而得到了桩在竖向和水平向简谐荷载作用下桩身的动力响应。竹宫 宏和与山田善一4 j 在n o v a k 方法的基础上针对层状土提出了一种有效的近似解析 方法。n o v a k 和a b o u l - e l l a 4 基于平面应变和层状介质假定，对高频激振时桩一土 动力相互作用计算提出了一种更为简单有效的方法，并编制了程序。w a a s 和 h a r t r n a n n l 4 建立了圆环荷载作用下的解析方法，此法既适用于极薄层状土介质，又 可以考虑远场的反应。 刘宗贤和李玉亭【5 j 针对分层弹性地基中的单桩基础建立了合理的力学模型，给 出了桩基础的横向自振特性以及在横向动荷载与地震荷载作用下强迫振动的解析 解，为分层弹性地基中单桩基础在横向动力荷载与地震荷载作用下的动力反应分 析提供了一种新的解析方法。王慧、杨光辉和张鸿儒6 1 建立了桩土运动相互作用 堕壁坌里查学模型，并从波动理论出发，求解满足边界条件的波动方程，获得了 大连理工戈学博士学位论王 桩周土的位移和应力解析表达式，求得了桩周土反力与桩的动位移之间的关系。 何玉敖 7 1 采用波动方法，针对水平振动时可能出现的桩一土局部分离现象，提出了 具有第三维变形特征的无限平面内圆孔辐射应力混合边值问题的计算理论，并将 其应用于桩一土相互作用分析中。 1 2 1 2 离散模型法 离散模型法起源于w i n k l e r 地基梁模型，这种方法将桩视为埋置于土介质中的 梁，忽略土的连续性而将桩周土的阻抗效应用分布的相互独立的弹簧和阻尼器代