基于接触面弱化效应的横向受荷长桩非线性建模及动力学研究

For the complexities of soil-structure interaction and contact effect, and the limitations of existing theories, there are some defects exist in the dynamics research of pile foundations, such as the effect of contact surface and the mechanism of nonlinear dynamics are ambiguities. Obviously, all these issues limit the engineering application and dynamic design of pile foundations. Targeting on these scientific and technical difficulties should be solved quickly, the present project selects a typical laterally loaded long pile as the study object, investigates the nonlinear dynamic characteristics of pile-soil interaction systems and evaluates the soil-structure contact weakening. Considering the effect of soil-structure interaction, the weakening phenomena of the contact surface between the pile and soil field and geometric nonlinearity, a refined dynamic model of pile foundation would be derived employed the dynamics modeling theory. And, the nonlinear dynamic behaviors of the system are examined by means of the dynamic buckling, resonant response, modal interaction and bifurcation and chaos. Then, based on the nonlinear dynamics of pile foundations, the evaluations of soil-structure interaction and contact weakening are revealed based on the energy principle, in the quantitative level. Finally, to validate the accuracy of the theoretical methods, the dynamic model experiment on test and analyze the dynamic response of pile foundation would be carried out, under various conditions. Overall, the results of the present project would enrich and develop the theories and methods of nonlinear dynamics and coupling dynamics, and the guidance of the dynamic design of pile foundations on the base of the nonlinear dynamics could be achieved.

由于土-结构相互作用及接触效应的复杂性和现有理论的局限性，桩基动力学研究中仍存在接触面效应不明确、非线性动力学机理不清晰等理论和技术难题，这些都严重限制了桩基的动力学设计及工程应用。针对这些亟待解决的科学问题和技术难点，本项目拟以典型的横向受荷长桩为对象，系统地研究桩基非线性动力学特性并评估土-结构接触弱化效应。首先，考虑土-结构相互作用、接触面弱化效应和几何非线性，利用动力学建模理论建立桩基的精细化动力学模型，并通过该模型全面分析其动力屈曲、共振激励响应、模态相互作用、分叉与混沌等非线性动力学行为；然后，基于桩基的非线性动力学特性，利用能量原理量化评估土-结构相互作用及接触弱化效应；最后，开展动力学模型实验，测试分析各种工况下桩基的动力响应，并对理论方法的准确性进行验证。本项目研究成果将丰富与发展非线性动力学及耦合动力学的理论与方法，最终达到基于非线性动力学理论指导桩基动力学设计的目标。

作为一种关键承载结构，桩基起到结构-地基间能量分配与传递纽带的作用，其动力学特性对结构物的动力学性能有重要影响。但由于土-结构相互作用的复杂性，相关研究中仍存在土-结构接触效应、非线性动力响应等理论和技术难题，现有成果尚不足以支持桩基动力学设计的工程应用。.本项目基于非线性动力学和结构动力学理论，以指导桩基的动力学设计为目标，对横向受荷长桩的非线性动力学问题进行了研究。采用理论与实验相结合的方式，按照申请书提出的科学问题，围绕三个方面开展研究：（1）桩-土耦合系统的动力学建模；（2）桩基非线性动力响应分析；（3）土-结构相互作用及接触弱化效应研究。经过三年的研究，取得如下创新性成果：.（1）基于土-结构相互作用和桩基的动力学特征，建立了横向受荷长桩的非线性动力学模型，揭示了荷载、地基参数、土-结构相互作用等对桩基动力学特性的影响。运用多尺度法和打靶法、延拓法，研究了桩基的2:1内共振现象，描述了动力响应中丰富的非线性现象。.（2）针对动力响应中桩与周围土体共同运动的特征，从建模理论出发，建立了考虑土体运动的弹性地基梁非线性动力学模型，揭示了土体质量、地基深度等对土-结构相互作用系统动力学特性的影响。.（3）基于Vlasov地基模型，改进了层状地基中横向受荷桩的力学模型，描述了桩-土接触面脱离对桩基变形和内力的作用效应，分析了复杂层状地基对横向受荷桩力学特性的影响，明确了桩-土界面脱离范围和部位与桩基力学特性之间的关系。.（4）建立了离散弹簧支承单桩和桩-土相互作用非线性动力学模型实验平台，测量了不同约束、荷载、激励频率、激励幅值和土场条件下桩基的非线性动力学行为，验证了本项目动力学模型的正确性，促进了相关理论和实验研究的发展。.本项目的研究成果丰富并发展了非线性动力学在桩-土耦合系统研究中的应用，解决了横向受荷长桩非线性建模和动力学研究中的若干关键技术问题，为桩基动力学设计的工程应用提供了理论储备。