摘要
桩-土动力相互作用问题是土木工程领域中的重要研究课题，实际工程中，桩基础受临近场地爆炸、强夯及坍塌等冲击作用下的动力响应，本质上是桩土在冲击荷载下的动力相互作用问题。本文基于自行研制的小型冲击试验系统研究冲击荷载作用下的桩-土相互作用，从砂土粒径、桩径和桩体埋深三个主要影响因素出发，研究不同因素下的桩、土动力响应特征。全文主要研究内容和结论如下： 1、基于机械能守恒原理，研发了小型冲击荷载加载系统。利用铁球下落后重力势能转化为模型土箱动能的基本原理，计算并选取各部件材料、尺寸，同时采用Cero软件完成整个试验系统的细节设计，最终实现冲击荷载加载台试验系统的研发。 2、对小型冲击试验系统进行性能测试。发现，模型土箱和模型桩的动力响应主要受冲击侧聚氨酯材料缓冲胶垫的影响。结果表明，土箱加速度随着缓冲胶垫邵氏硬度增大而增大。当输入同一大小的冲击荷载时，随着缓冲胶垫邵氏硬度的增加，土箱振动的幅值明显减小，振动主频段加宽。同一邵氏硬度下，输入冲击荷载幅值的改变不会影响土箱的主频段。模型箱未装土时，桩顶加速度峰值随着缓冲胶垫硬度等级的提升而增大，随着冲击荷载增大，各桩桩顶加速度峰值也有不同程度增大。 3、考虑桩径与桩体埋深等桩体变化因素，研究桩土动力响应。发现桩径变化对桩顶加速度峰值的影响较桩体埋深变化更明显，随着桩径增大，桩顶加速度峰值显著增大，其衰减速率变快。桩体埋深的改变使桩顶加速度峰值呈非单调变化，但桩体振动稳定时间随埋深的增加明显减小。桩顶加速度傅里叶谱峰值及谱宽随桩径的增大单调递增，埋深越大，递增速率越小。无论桩径或桩体埋深的增大，均使桩身各测点弯曲应变明显减小。随着埋深增加，土层加速度峰值显著增加，但加速度持时明显减小。 4、考虑砂土粒径等土体变化因素，研究桩土动力响应。当桩径一定时，随着砂土粒径增大，桩顶加速度峰值减小，加速度衰减时间缩短；频域范围内，同一桩顶加速度反应频谱谱峰随砂土粒径增大而增大，谱峰对应的频率值变化不大，均在20Hz左右。砂土粒径越大，桩顶加速度对桩土径径比值（桩径/砂土粒径）的变化越为敏感，大粒径范围下（1-2mm），径径比值增大一倍，桩顶加速度峰值最大可增至原来的3.85倍，其衰减至零的时长范围缩短为原来的0.55倍左右。随着砂土粒径增大，同一桩身应变峰值明显减小，相同冲击荷载作用下，桩身稳定所需的时间缩短。
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