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桩基础因具有承载力高、沉降小等优点应用广泛,且对于跨越大江大河或深切峡谷的铁路或公路大桥、以及高桩码头和海上石油钻井平台等工程,多采用高承台桩基。对于这类高承台桩基,因桩顶自由长度较大,在静力荷载(上部结构荷载及基础本身自重等)和动力荷载(车辆或机械等运行过程中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中具有重要理论与工程实际意义的一个课题。
为此,本文首先基于已有研究成果分析和讨论了桩基础的动力特性,在此基础上,引入能量原理和Hamilton原理,分别基于m法和常数法假定考虑桩侧地基土体抗力及其他影响因素,建立出两端铰支、两端固支及一端固支一端自由三种不同桩端约束条件下基桩的动力稳定平衡方程,经简化得到相应的Mathieu方程,求解获得了简谐荷载下参数共振时不稳定区域边界的近似解。
其次,设计并完成了一组轴向简谐荷载作用下单桩桩-土动力相互作用大比例模型试验,通过埋设桩身内力与位移传感器及改变主要试验参数进行对比试验,获得了两种典型组合边界条件(即两端嵌固和一端嵌固、一端自由)下的基桩在动力加载过程中桩顶位移、桩顶动位移幅值、桩身轴力及桩底反力等动力响应的时程变化曲线,为进一步了解和掌握桩身动力屈曲破坏机理提供了基础。
最后,综合理论分析和模型试验结果,讨论了两种典型组合边界条件(即两端嵌固和一端嵌固、一端自由)下动荷载加载频率、桩顶自由长度、桩身埋置率及桩身长细比等参数对基桩动力响应的影响规律。同时,以自由振动法测定一端嵌固、一端自由模型桩的横向固有振动频率,在此基础上,探讨了基桩在参数共振稳定区域边界附近发生的参数共振,其与理论分析结果相吻合,可为桩基动力设计计算提供参考。