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大直径桩-非均质土耦合振动理论：模型构建、特性分析与工程应用

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代工程建设规模的不断扩大和对基础承载能力要求的日益提高，大直径桩在各类工程中得到了广泛应用。大直径桩凭借其较高的承载能力、良好的稳定性以及对复杂地质条件的适应性，成为高层建筑、桥梁工程、港口码头等大型基础设施建设的重要基础形式。例如，在一些超高层建筑项目中，大直径桩能够有效地将上部结构的巨大荷载传递到深层稳定的地基土层，确保建筑物的安全与稳定；在跨海大桥建设中，大直径桩作为桥梁基础，能够抵御海洋环境中的复杂荷载，如波浪力、潮汐力以及地震力等，保障桥梁的正常使用。

然而，实际工程中的地基土往往呈现出非均质特性，其物理力学性质在空间上存在显著变化。这种非均质性会对大直径桩的振动特性产生重要影响，进而影响桩基础的承载能力、动力响应以及稳定性。例如，桩周土体的非均质性可能导致桩身受到的侧向约束不均匀，使得桩在振动过程中产生局部应力集中现象，从而降低桩的承载能力；桩端土体的非均质性则可能影响桩端阻力的发挥，导致桩的沉降变形增大。因此，深入研究非均质土对大直径桩振动的影响具有重要的理论意义和工程应用价值。

从理论角度来看，研究非均质土中大直径桩的振动问题有助于完善桩-土相互作用理论体系。传统的桩-土相互作用理论大多基于均质地基假设，难以准确描述非均质土条件下桩的力学行为。通过对非均质土中大直径桩振动特性的研究，可以揭示桩-土系统在复杂地质条件下的动力响应机制，为建立更加精确的桩-土相互作用理论模型提供依据，推动岩土力学学科的发展。

在工程应用方面，准确掌握非均质土对大直径桩振动的影响，能够为桩基础的设计、施工和检测提供科学指导。在设计阶段，考虑土体非均质性可以更加合理地确定桩的尺寸、长度以及桩身材料强度，提高桩基础的设计精度和可靠性，避免因设计不合理导致的工程事故；在施工过程中，了解土体非均质性对桩振动的影响，有助于选择合适的施工工艺和设备，减少施工过程中对桩身和周围土体的扰动，确保施工质量；在桩基础检测中，考虑土体非均质性可以提高检测结果的准确性，更准确地判断桩身的完整性和承载能力，及时发现潜在的安全隐患。

1.2国内外研究现状

在桩-土耦合振动理论研究领域，国外学者开展相关研究较早。早期，Novak基于滞回阻尼平面应变模型，将桩周土体分为单层内部扰动区域和外部半无限大未扰动区域，在假设内部区域土体质量为零的前提下，推导得出了能简化考虑单层内部区域土体软化效应的桩基纵向和扭转阻抗解析解答，初步探究了桩周土体内外区域非均质性对桩-土耦合振动特性的影响。随后，Veletsos等进一步考虑桩周土单层内部扰动区域土体质量惯性效应，完善了径向非均质性桩周土中桩基纵向阻抗解析解答，并分析了单层内部扰动区域土体软化程度对桩基振动特性的影响规律。Nogami等基于平面应变模型，通过将远场区域土体复刚度转化为对应的弹簧和阻尼系数，近场采用非线性Winkler模型，建立了桩-土耦合系统，对考虑桩周土径向非均质性的桩基纵向振动特性展开分析。Doston等单纯定义桩周土内部区域（单层）土体剪切模量呈指数变化函数，运用平面应变理论，给出了桩周径向非均质土体中桩基纵向和扭转阻抗的解析表达式。Vaziri等则定义内部区域土体剪切模量为随径向位移呈抛物线变化函数，且与外部区域剪切模量连续，开展了考虑桩周土径向非均质性的桩基纵向振动特性研究。

国内对于桩-土耦合振动理论的研究起步相对较晚，但发展迅速。王奎华和杨冬英等指出EINaggar模型受桩周土剪切模量影响很小，与实测曲线和已有理论结果不符，进而提出了基于滞回阻尼模型的径向复刚度传递的多圈层平面应变模型，通过圈层间复刚度递推求得桩周土体对桩体作用的复刚度，在此基础上建立了能考虑桩周土径向非均质性的桩土耦合振动系统，进行了桩顶振动特性的频域和时域响应分析。李曼考虑大直径桩成桩引起的施工效应，利用圈层间力与位移的连续条件通过函数正交性递推，建立径向非均质状态下的大直径桩桩顶动力响应的理论解，分别研究在桩侧土质硬化或软化情况下，相关特质参数如施工扰动范围及径向土体划分圈层数、扰动程度的变化对桩顶振动特性的影响。崔春义等基于复刚度传递径向多圈层平面应变模型，采用黏性阻尼模型描述桩周土材料阻尼，考虑地基土纵向成层特性，建立径向非均质、纵向成层土中变截面和变模量管桩纵向振动简化分析模型，推导得到变模量和变截面管桩桩顶动力阻抗解析解答。

然而，现有研究仍存在一些不足之处。一方面，在土体模型方面，虽然已考虑到土体的非均质性，但对于复杂多变的非均质土特性描述还不够全面和精确。例如，实际工程中的非均质土可能同时存在多种物理力学参数的变化，包括土体的弹性模量、泊松比