無桿鉆具與灌注樁孔土體相互作用動力學分析和試驗研究

無桿鉆具與灌注樁孔土體相互作用動力學分析和試驗研究無桿鉆具由于其特有的結(jié)構形式和施工優(yōu)勢而吸引了越來越多的學者和工程技術人員的關注,但以往的研究多側(cè)重于其構造形式與具體應用,對無桿鉆具與灌注樁孔土體相互作用的動力學特性則研究甚少。在結(jié)構設計過程中,通常假定地基為剛性,這種剛性地基假設對于工作場地為基巖或堅實場地土而言是合理的。大量的理論分析和工程實踐表明,在場地土質(zhì)較軟的情況下,結(jié)構—土體相互作用對結(jié)構的動力特性具有十分重要的影響。本文將無桿鉆具與土體作為一個整體進行研究,考慮土體的動剛度對無桿鉆具工作特性的影響,通過理論分析和試驗研究認識結(jié)構—土體動力相互作用機理,為無桿鉆具的實踐應用提供方便、快捷和適合工程實際的計算方法和指導,也為考慮結(jié)構—土體動力相互作用的結(jié)構設計提供理論支撐。從結(jié)構—土體相互作用的研究現(xiàn)狀入手,通過對已有研究方法與成果的概括、總結(jié)和歸納,在對已有方法的局限性和優(yōu)缺點進行分析基礎上,結(jié)合無桿鉆具這種特殊結(jié)構與灌注樁孔土體的相互作用,提出相應的基本假設和計算分析框架。通過對螺旋鉆頭鉆進過程中受力狀態(tài)的詳細分析,得出無鉆桿鉆具工作過程中受到的貫入阻力和阻力矩,進而得到支護裝置每塊支護板在各個方向的受力狀態(tài)。為考慮灌注樁孔對孔壁土體穩(wěn)定性的影響,提出利用虛擬土柱模擬樁孔,并基于廣義Mindlin解求解在預應力作用下,支護板下方孔壁土體穩(wěn)定性的方法。在此基礎上,采用集總參數(shù)法和拉格朗日方法建立無桿鉆具與土體相互作用的動力學方程。利用數(shù)值流形方法在相同單元數(shù)情況下求解精度較高的特點,對無桿鉆具支護板和灌注樁孔壁土體分別采用零階基函數(shù)與一階基函數(shù),進而建立能夠模擬支護板與孔壁土體之間接觸模型的等厚度三維接觸單元,并利用虛位移原理詳細推導該等厚度三維接觸單元的剛度矩陣。引入瑞利阻尼模擬支護板與孔壁土體動力接觸模型中的能量耗散,分別編寫靜力和動力接觸流形元程序,通過與靜力和動力接觸模型試驗結(jié)果的對比驗證所建立等厚度三維接觸單元的求解精度和工程實用性?？紤]土體在縱向、橫向和扭轉(zhuǎn)方向上的波動效應及其粘彈性性質(zhì),利用Voigt模型模擬灌注樁孔壁土層之間的相互作用,分別建立無桿鉆具支護板—灌注樁孔土體在各個方向上嚴格耦合的動力相互作用模型。采用Fourier變換和分離變量法分別得到土體在縱向、橫向和扭轉(zhuǎn)方向上的振動位移解析解。采用積分變換法求解支護板的動力振動方程,得到其頻率響應解析解。利用Fourier逆變換和卷積定理求得半正弦脈沖激勵作用下支護板各向速度時域響應的半解析解。通過與試驗結(jié)果的比較,驗證所作基本假設的合理性和理論推導結(jié)果的正確性。由所求得的動力阻抗函數(shù),詳細討論不同土體參數(shù)和支護板設計等參數(shù)對支護板在各方向上動力阻抗函數(shù)的影響。研制無桿鉆具樣機,并對其與灌注樁孔土體的相互作用進行試驗研究,利用本文所建立的接觸單元得到無桿鉆具與孔壁土體之間的接觸邊界條件,在此基礎上得到無桿鉆具與灌注樁孔壁土體在縱向、橫向和扭轉(zhuǎn)方向上的動力阻抗函數(shù)。將等效動剛度代入無桿鉆具—灌注樁孔土體相互作用的動力學方程并求解,得到其在縱向、橫向和扭