無桿鉆具與灌注樁孔土體相互作用動(dòng)力學(xué)分析和試驗(yàn)研究

無桿鉆具與灌注樁孔土體相互作用動(dòng)力學(xué)分析和試驗(yàn)研究無桿鉆具由于其特有的結(jié)構(gòu)形式和施工優(yōu)勢(shì)而吸引了越來越多的學(xué)者和工程技術(shù)人員的關(guān)注,但以往的研究多側(cè)重于其構(gòu)造形式與具體應(yīng)用,對(duì)無桿鉆具與灌注樁孔土體相互作用的動(dòng)力學(xué)特性則研究甚少。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,通常假定地基為剛性,這種剛性地基假設(shè)對(duì)于工作場(chǎng)地為基巖或堅(jiān)實(shí)場(chǎng)地土而言是合理的。大量的理論分析和工程實(shí)踐表明,在場(chǎng)地土質(zhì)較軟的情況下,結(jié)構(gòu)—土體相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(gè)整體進(jìn)行研究,考慮土體的動(dòng)剛度對(duì)無桿鉆具工作特性的影響,通過理論分析和試驗(yàn)研究認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)—土體動(dòng)力相互作用機(jī)理,為無桿鉆具的實(shí)踐應(yīng)用提供方便、快捷和適合工程實(shí)際的計(jì)算方法和指導(dǎo),也為考慮結(jié)構(gòu)—土體動(dòng)力相互作用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支撐。從結(jié)構(gòu)—土體相互作用的研究現(xiàn)狀入手,通過對(duì)已有研究方法與成果的概括、總結(jié)和歸納,在對(duì)已有方法的局限性和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析基礎(chǔ)上,結(jié)合無桿鉆具這種特殊結(jié)構(gòu)與灌注樁孔土體的相互作用,提出相應(yīng)的基本假設(shè)和計(jì)算分析框架。通過對(duì)螺旋鉆頭鉆進(jìn)過程中受力狀態(tài)的詳細(xì)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(jìn)而得到支護(hù)裝置每塊支護(hù)板在各個(gè)方向的受力狀態(tài)。為考慮灌注樁孔對(duì)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(yù)應(yīng)力作用下,支護(hù)板下方孔壁土體穩(wěn)定性的方法。在此基礎(chǔ)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(dòng)力學(xué)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(diǎn),對(duì)無桿鉆具支護(hù)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(jìn)而建立能夠模擬支護(hù)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(xì)推導(dǎo)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(hù)板與孔壁土體動(dòng)力接觸模型中的能量耗散,分別編寫靜力和動(dòng)力接觸流形元程序,通過與靜力和動(dòng)力接觸模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證所建立等厚度三維接觸單元的求解精度和工程實(shí)用性?？紤]土體在縱向、橫向和扭轉(zhuǎn)方向上的波動(dòng)效應(yīng)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(hù)板—灌注樁孔土體在各個(gè)方向上嚴(yán)格耦合的動(dòng)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(dòng)位移解析解。采用積分變換法求解支護(hù)板的動(dòng)力振動(dòng)方程,得到其頻率響應(yīng)解析解。利用Fourier逆變換和卷積定理求得半正弦脈沖激勵(lì)作用下支護(hù)板各向速度時(shí)域響應(yīng)的半解析解。通過與試驗(yàn)結(jié)果的比較,驗(yàn)證所作基本假設(shè)的合理性和理論推導(dǎo)結(jié)果的正確性。由所求得的動(dòng)力阻抗函數(shù),詳細(xì)討論不同土體參數(shù)和支護(hù)板設(shè)計(jì)等參數(shù)對(duì)支護(hù)板在各方向上動(dòng)力阻抗函數(shù)的影響。研制無桿鉆具樣機(jī),并對(duì)其與灌注樁孔土體的相互作用進(jìn)行試驗(yàn)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(chǔ)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(dòng)力阻抗函數(shù)。將等效動(dòng)剛度代入無桿鉆具—灌注樁孔土體相互作用的動(dòng)力學(xué)方程并求解,得到其在縱向、橫向和扭