摘 要

桩-筏基础广泛应用于现代高层建筑、桥梁工程中，是一种普遍的深基础形式。关于此基础的动力特性问题研究也是目前较为热门的领域之一。在邻近场冲击荷载作用下，桩-筏系统和上部结构的安全性常受到影响，需要研究者对其危害进一步的研究。本文在相关研究的基础上，借助有限元计算软件ABAQUS，建立三维有限元-无限元耦合的简化对称模型，对软土中邻近桩-筏系统在动力冲击荷载下的响应特性展开了研究，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，为之后的研究以及实际工程提供依据参考。

论文主要研究了在邻近冲击荷载作用下，通过改变坠落重物重量、上部结构重量和土的弹性模量等，确定不同冲击能量大小、不同配重大小对结构振动的响应规律，并取得各关键点的位移、速度和加速度响应以及桥墩、桩的弯矩响应，整理数据，绘制曲线，并总结规律。

研究结果表明：（1）不同的冲击能量对土体-桩-筏系统的影响较大；冲击能量越大，土中各点速度、加速度峰值越大，桩、桥墩弯矩也越大。（2）上部结构重量改变对土体和桩基影响较小，仅对桥墩的弯矩有影响。（3）在土的平均弹性模量一致的情况下，改变土体弹性模量沿深度分布规律对系统在冲击波引起的振动中几乎没有影响。此外，文中结合相关规范，对结构在此类冲击波冲击的安全性给出了评定。

总结与建议：本文研究表明，在此类问题中，冲击能量的改变较大程度影响建筑的安全性和舒适性；相比而言，上部结构重量以及土质的均匀与否对结构的响应无显著影响。因此在强夯法施工等过程中，应重点关注重锤的冲击能量等问题，可通过开挖隔振沟的方式降低冲击波振动影响。当然，由于诸多限制，本文中仅考虑了以上几种情况，对于上部结构的高度、冲击荷载距结构的距离等影响因素，仍需开展进一步研究。

关键词：数值模拟；有限元；无限单元；桩-筏系统；冲击荷载；强夯法；

Abstract

Pile-raft foundation is widely used in modern high-rise buildings and bridge engineering. It is a common form of deep foundation. Research on the dynamic characteristics of this foundation is also one of the most popular fields. The safety of the superstructure in the pile-raft system is often affected by the impact load on the adjacent area, and further study is needed about its hazards. Based on relevant research, this paper establishes a simplified three-dimensional symmetric coupling model of finite and infinite elements with the finite element calculation software ABAQUS, and studies the response characteristics of the adjacent pile-raft system in soft soil under dynamic impact load. The influence law of each important factor on the vibration response of the soil-pile foundation-superstructure system is clarified, which provides a reference for future research and actual engineering.

The thesis mainly studies the response law of different impact energy and different counterweight to structural vibration. By changing the weight of falling weight, the weight of superstructure and the elastic modulus of soil under the action of adjacent impact load, the key displacement, velocity and acceleration response of points and bending moment response of bridge piers and piles, organize data, draw curves, and summarize laws is obtained.

The results show that: (1) Different impact energies have a greater impact on the soil-pile-raft system; the greater the impact energy is, the greater the peak velocity and acceleration at each point in the soil as well as the bending moment of the pile and pier would be. (2) The change of weight of the superstructure remarkable effect on the bending moment of the pier, while it has little effect on the soil and pile foundation. (3) When the average elastic modulus of the soil is the same, changing the distribution law of the elastic modulus of the soil along the depth has little effect on the system in the shock wave-induced vibration. Besides, combined with the relevant specifications, the safety of the structure under such shock wave impact is evaluated.

Summary and suggestions: The research in this paper shows that in such problems, the change of impact energy can greatly affect the safety and comfort of the building. In comparison, the weight of the superstructure and the uniformity of the soil quality has no significant response to the response of structure. Therefore, in the process of dynamic ramming construction, attention should be paid to the impact energy of the heavy hammer and other issues, and the impact of shock wave vibration can be reduced by excavating the vibration isolation trench. Only the above situations are considered in this paper due to all kinds of limitations. Further research is needed on the influencing factors such as the height of the superstructure and the distance between the impact load and the structure.

Keywords: numerical simulation; finite element; infinite element; pile-raft system; impact load; dynamic compaction method;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的与意义 2

1.3国内外研究现状 2

1.4研究内容与技术路线 4

1.4.1研究内容及目标 4

1.4.2研究实施方案及研究方法 5

第2章 有限元-无限元耦合模型建立 7

2.1 本构模型与模型参数 7

2.1.1本构模型 7

2.1.2模型尺寸 8

2.1.3模型参数 8

2.1.4定义分析步 10

2.2 有限元-无限元耦合与阻尼系数 10

2.2.1单元类型 10

2.2.2阻尼 11

2.2.3地应力平衡 13

2.3冲击荷载 14

第3章 土体振动响应数值参数分析 15

3.1 冲击荷载能量的影响 15

3.2土的弹性模量的影响 17

3.3土体刚度影响 19

3.4小结 21

第4章 土体-桩-筏-上部结构系统振动响应数值参数分析 23

4.1土的弹性模量的影响 23

4.1.1均质土与非均质土对比分析 23

4.1.2土体刚度影响 25

4.2 冲击荷载能量的影响 28

4.2.1冲击能量对结构的影响 28

4.2.2对比分析 32

4.3 上部结构质量的影响 34

4.4相关规范及安全评定 37

4.5小结 39

第5章 总结与展望 40

5.1 小结 40

5.2 展望 40

参考文献 42

致 谢 44

第1章 绪论

1.1 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进一步的研究。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；土体的振动会引起其密实度、孔隙水压力等的变化，使地基和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。