高承台桩基动力屈曲机理与稳定分析

桩基础因具有承载力高、沉降小等优点应用广泛，但在跨河跨谷铁路或公路大桥、高桩码头及海上石油钻井平台等工程中，多采用高承台桩基。对于这类高承台桩基，因基桩自由长度较大，在静力荷载（上部结构荷载及基础本身自重等）和动力荷载（高速列车、汽车产生的冲击与制动力，以及风力、波浪力或地震力等）同时作用下，可能产生屈曲破坏，其具有突发性且后果严重，如何分析桩基的动力特性特别是动力屈曲稳定性成为本学科新难题。为此，本研究拟从桩土动力相互作用大比例模型试验入手，深入探讨桩－土动力接触特性与相互作用机理；在此基础上，通过单桩与群桩的动力屈曲破坏对比试验，探讨桩身屈曲破坏机理与判定准则；然后，引入新型无单元法编程进行数值模拟试验，讨论桩端约束条件、几何尺寸、参数共振、土抗力、阻尼力及荷载等对桩身动力压屈稳定的影响规律，由此给出桩身稳定长度的计算方法，并结合模型试验与理论分析结果相互验证完善后加以推广应用。

针对工程中常用高承台桩基可能存在的动力屈曲稳定问题，首先设计并完成了一组轴向简谐循环荷载作用下的桩-土动力相互作用大比例模型试验，通过埋设力与位移传感器及改变桩土试验参数，获得了不同组合边界条件下的桩顶位移、动位移幅值、桩身轴力及桩底反力等动力响应的时程变化曲线，由此探讨了桩－土动力接触特性与屈曲稳定机理。然后，引入能量法和Hamilton原理，分别按m法和C法考虑桩侧土抗力，建立出两端铰支、两端固支及一端固支一端自由三种不同组合边界条件时竖向简谐荷载作用下的桩身动力稳定Mathieu方程，采用三角级数求解获得了基桩发生参数共振时不稳定区域边界的近似解，由此进行的参数分析给出了桩身长径比、埋置率、桩顶自由长度、桩周土强度及桩顶动力荷载大小等参数对桩身动力稳定的影响规律（随桩身长径比的增加、埋置率的减小、自由长度的增加及桩周土强度的降低，桩身动力不稳定区域将增大，而固定荷载P0的影响则较小）。同时，鉴于工程中桩周土的非均匀性及桩端约束的不确定性，基于三维连续介质模型，综合考虑桩端土的应力扩散效应和桩周土体的弱化效应，导出了高承台桩基桩顶的动力阻抗、位移及速度频域函数，并经傅里叶逆变换和卷积定理，得到相应的时域响应半解析解。此外，引入具有波动特点的桩-土位移影响理论，经适当简化，基于动力文克尔梁模型建立了动力荷载作用下桩-土相互作用的运动微分方程，并给出了基于动力相互作用因子的方程求解方法。最后，基于动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA和引入新型无单元伽辽金法，完成了高承台桩基的动力数值模拟分析，将数值分析结果与所获得的理论简化计算结果和模型试验实测值进行了对比分析，验证了理论解答与有限元分析的可行性，进而讨论了桩身位移及内力的开展与分布规律，获得了桩间距、桩土刚度比及桩长等参数对群桩基础桩顶动位移的影响规律。在此基础上，结合某特大桥的桩基设计问题，通过三维实体建模，完成了静力与动力分析，并探讨了不同地震加速度作用下群桩基础的中桩与角桩的桩端竖向位移与桩顶水平位移分布规律，且考虑静动荷载的共同作用，分析了桩-土-承台体系在不同地震波作用下的动力特性变化规律，获得了动力荷载对群桩基础位移幅值及失稳临界荷载的影响规律，有助于进一步掌握高承台桩基的动力特性与屈曲稳定机理。