动力冲击荷载下邻近桩-筏系统的响应特性研究开题报告

全文总字数：6867字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1、 研究背景

桩基础作为一种最为常见的深基础形式，因其承载能力高，适用范围为广，抗震性能好等特点，被广泛应用于高层建筑、港口、厂房、桥梁等工程中。“群桩-承台”系统作为一种广泛应用的基础类型，可以把上部结构的荷载传递到埋深较深的坚硬土层或岩石层中，从而有效地提高建筑基础的承载能力和上部结构的安全性，较好地提高建筑物的长期安全性。研究表明，桩基础对邻近场地作用冲击荷载的响应本质上是桩-土组成的体系在冲击荷载下的整体动力相互作用问题^[1]。因此，需要学者对桩-土动力相互作用问题展开研究。当前的工程实践和设计规范大都忽视尤为重要的周围土体对桩基的动力作用，而过度重视上部结构惯性力对桩基础的影响^[2,3,4]。针对桩本身，在受到冲击荷载振动影响时，研究者通常将桩作为非连续屏障研究其隔振作用^[5]，同时忽略对桩本身振动问题的研究。因此本课题拟开展动力冲击荷载下邻近桩-筏系统的响应特性研究，充分考虑桩-土动力相互作用以及桩-承台-上部结构系统的共同响应，为桩基及桥梁的抗震设计以及工程中锤击桩和强夯法施工的安全性提供有益的参考，希望可以较好地提高对已有桩基和建筑物的安全性的保证。

大量资料显示，在邻近冲击荷载引起振动时，会对已有建筑物、人类的生产生活甚至人体健康产生巨大影响^[6]。对于结构而言，冲击荷载引起的振动可能加速建筑物的损伤发展，严重时甚至直接导致建筑物的损坏；振动在桩基周围土体中也可引起土体密实度、孔隙水压力等的变化，使建筑产生不均匀沉降。除此之外，对于一些需要精密仪器的实验室或者生产工厂，振动引起的仪器偏差也是难以接受的；而对于居住于建筑中的人们来说，振动还会影响居住的舒适性。

当建筑周围有重物坠落产生冲击荷载，例如飞机坠落、落石、锤击桩或强夯法施工时，坠落物与地面作用释放巨大能量产生地基振动，以波动的形式由接触点向外传播^[7]。研究人员针对这方面做过很多研究，地基在竖向振动时，能量通过压缩波p波、剪切波s波以及p波与s波在地基表面相遇形成的r波联合传播。体波（p波和s波）沿一个半球振面自波源处沿径向在地表及地表以下几十米的浅层传播，而r波则沿圆柱波径向四周传播。当冲击荷载形成的波场在传播过程中遇见地下建筑或基础时，会引起结构的振动，影响建筑居住的舒适性以及一些特殊建筑的使用要求，如精密仪器加工工厂；严重时甚至威胁建筑的安全。在桩基础承受振动荷载过程中会受两种作用力：（1）周围土体的动力作用，（2）上部结构的惯性力；其中，桩-土动力相互作用尤为重要。研究表明，邻近场地的冲击荷载对桩基的影响主要表现在以下三个方面^[8]，一是波场在传播过程中使桩产生竖向和横向位移，当位移幅值较大而波的频率又较高时，引起桩基的破坏；二是波的频率接近桩的固有频率时，引起桩的共振，从而导致桩基础破坏；三是桩-土材料不同对波的响应不同，从而造成桩基础承载力下降，导致沉降增加。笔者根据已有的研究和成果，拟采用abaqus^[9]建立有限元-无限元耦合模型，模拟动力冲击荷载下邻近土-桩基-上部结构系统，得到更真实的桩的响应特性。拟分析不同惯性力大小、坠落物质量以及不同接触点作用距离等对桩基振动的响应规律的影响。

2. 研究的基本内容与方案

1、 研究内容

本次研究通过abaqus，建立三维有限元-无限元耦合的简化轴对称模型，模拟土-桩基-承台-上部结构系统，开展高效三维有限元非线性动力显式分析，开展数值参数化分析，对单点单次夯击下地基振动过程进行了数值模拟。在本次数据模拟过程中，采用理想弹性模型模拟土体，并采用一定高度坠落物下落至桩-筏系统附近来模拟冲击荷载。分析在邻近冲击荷载作用下，不同惯性力大小、坠落物质量以及不同接触点作用距离等因素对整个系统振动的响应规律；探明各重要因素对土-桩基-上部结构系统振动响应的影响规律；拟通过此类变量控制方式，得到相应条件下土体各处的位移、速度、加速度及桩和桥墩的最大弯矩响应。归纳分析各部分结构的响应规律，为之后的研究以及实际工程提供依据参考。

2、 研究目标

本项目基于已有的研究基础，通过建立三维有限元-无限元耦合的简化轴对称模型，探讨冲击荷载和土-桩基-上部结构系统的几何-力学参数对整个系统振动响应的影响规律，通过控制变量法，改变上部结构质量、坠落物质量以及坠落点与桩-筏系统的距离，探明在邻近冲击荷载作用下土-桩基-上部结构之间相互动力作用关系，得到土中各处的位移、速度、加速度及桩和桥墩的最大弯矩响应。项目研究成果可为特殊地区建筑物抗振动设计和建造，工程中锤击桩、强夯法的安全施工以及减少城市施工对人们居住舒适性的影响提供一定的参考。

3、 研究实施方案及研究方法

本研究项目拟从以下两个方面开展三维有限元分析研究。

3. 研究计划与安排

第1～2周，整理及查阅有关土力学、地震工程、土-结构相互作用等方面的中英文文献资料，在导师指导下，初步确立研究方向和研究方法。

第3～5周，总结现有的方法和成果，完成毕业论文的开题报告和文献翻译工作，并准备开题答辩。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 刘毓氚,刘一鸣.桩基础对邻近场地冲击荷载的响应分析[j].岩土力学,2012,33(09):2796-2802.

[2] maiorano r. m.s., de sanctis l., aversa s. and mandolini a. kinematic response analysis ofpiled foundations under seismic excitation [j]. canadian geotechnical journal,2009, 46(5): 571-584.

[3] nikolaou s.,mylonakis g., gazetas g. and tazoh t. kinematic pile bending duringearthquakes: analysis and field measurements [j].géotechnique, 2001, 51(5): 425-440.