振动沉桩过程的动力学仿真分析

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振动沉桩过程动态分析
在桩顶端施加激振力 F ： F = － 10 000 － 400 000sin（ 125． 7time） （ 1）
图4
桩 － 土实体模型
Fig． 4 Soil model of pilesoil
其他沉桩参数按表 1 、 表 2 选取， 其中激振力曲线如图 5
所示。然后分别改变激振力幅值、 激振频率和土壤的 部分材料参数， 得出各组参数下前 0 ． 5 s 内相对应的沉
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振 动 与 冲 击
2012 年第 31 卷
的不平衡振动信号是有效的， 可用于不平衡振动监测 。 及动平衡等方面
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结
论
本文提出了一种 EMD 分解中异常事件处理方法， 并提出基于 EMD 分解的转子不平衡振动信号提取方 法， 可用于转子不平衡振动监测及动平衡等方面。 主 要内容体现为以下几个方面： （ 1 ） 基于相关分析的原理， 采用计算幅值为 1 、 初 相位为 0 的模态主频余弦函数与 EMD 分解的第一阶 分量（ 即 IMF1 ） 的互相关函数， 并将幅值扩大一倍的方 法来消除异常干扰事件。 分析表明， 该方法可有效降 低 EMD 分解中异常事件的干扰， 所得时间过程曲线更 贴近实际的物理过程。 （ 2 ） 基于 EMD 原理， 对电主轴径向振动信号进行 结合主轴转频， 提取不平衡振动模态， 本征模态分解， 如 IMF6 。分析表明， 该模态信号主要体现了不平衡振 动信息。 （ 3 ） 通过多次试验及信号分析， 进一步证实了该 方法的有效性。
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振 动 与 冲 击
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桩位移曲线图。如图 6 所示。
桩所受的阻力变的很大， 当 的位移增加到一定程度时， ， 桩所受向下的合力和桩所受的阻力相等时 桩振动的 上下行程就会相等， 此时桩停止下沉。 分别对比桩在不同激振力下前 0． 5 s 内的曲线图 6 （ a） 、 图 6（ b） 、 图 6 （ c ） 可以看出， 激振力振幅越大， 桩 沉降速度越快， 单位时间段内桩的沉降量越大。 这说 明， 提高激振力振幅可提高沉桩量。 对比图 6 （ a ） 和图 6 （ d） 可知， 增大激振力频率， 桩下降的速度变慢， 并且 增大土 总沉降量有所降低。对比图 6 （ a ） 和 6 （ e 可知，
Tab． 1 Material properties of the soil
土层厚度 压缩模量 泊松比 H / m E c / MPa μ 1． 5 1． 5 7 16 20 26 0． 29 0． 29 0． 3 密度 粘结力 内摩擦角 膨胀角 c / kPa φ / （ ° ） β / （ ° ） ρ / （ kg·m － 3 ） 18． 9 30． 4 68． 7 12． 8 22 22． 8 18 15 17． 5 1 450 1 760 1 850
材料
桩和土的材料属性如表 1 和表 2 所示。
表1 桩的材料属性 Tab． 1 Material properties of thBaidu Nhomakorabea pile 密度 弹性模量 泊松比 －3 E / MPa μ ρ / （ kg·m ） 0． 3 7 800 金属桩 2． 1 × 10 5 材料 表2 土的材料特性 半径 d/m 0． 1 长度 l /m 10
第7 期
李小彭等： 振动沉桩过程的动力学仿真分析
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用于线弹性材料。 土体采用 Solid95 单元， 该单元同时 D － P 。 模型 适用于线弹性材料和有弹塑性 （ 3 ） 模型的约束假设 由于桩对周边土的影响范围很大， 所以整个模型 考虑桩直径的 10 倍范围内的土体。 在土体周边将水 平位移约束， 可以发生竖向位移。 桩下考虑一倍土体， 这样可以与实际土体的变形更好的吻合， 最下边土体 采用固定约束。 （ 4 ） 桩 － 土接触面过渡单元的采用 而 由于桩的材料特性与土的材料特性相差很大， 且土体不能承受拉应力或抗拉性能很差， 两者在接触 面中传力及其变形不协调， 因此考虑采用接触面单元。 桩周面当作目标面， 用 Targe170 单元模拟， 土的表面被 用 Conta174 模拟。 当作接触面， （ 5 ） 模型的载荷分析 为一个正弦的激振力， 载荷通过加桩器施加给桩， 一个大小随时间变化的周期性作用力。 载荷函数为 F = F 静 + F0 sin （ ωt ） ， 其中的参数根据具体土质情况定。 F0 = 400 kN， 本文取 F 静 = 10 kN， ω = 125 ． 7 rad / s。 （ 6 ） 桩土材料属性。
图5
激振力随时间变化曲线
Fig． 5 Excitation forcetime curve
压缩模量和粘结力， 桩下降的速度变慢， 的内摩擦角、 并且总沉降量降低很多。 增大土的内摩擦角， 会增大 桩土间的内摩擦力， 从而影响桩的沉入。 综合各组曲线图， 容易看出， 在本文所验证的桩 － 土系统参数， 激振力振幅、 频率以及土的材料性质中， 土的材料性质对桩的沉降影响最大。 增大土的内摩擦 会增大桩土间的内摩擦力， 从而影响桩的沉入； 增 角， 大激振器振幅， 可以增大沉降量； 振动频率越接近桩 － 土系统的固有频率， 沉降量也会相应增大。 除上述所验证的这些参数外， 改变静压力也能改 变桩的沉降， 此处不再验证。 这些参数除了对沉桩量 对桩和机座的振幅也有影响， 在施工过程 的影响外， 中， 应结合土质参数， 综合考虑各种影响， 选取合适的 以达到理想的沉桩效果。 桩机参数，
［2 ］ 桩速度和沉桩量的影响 。通过改变振动参数并进行 分析， 获知不同振动参数下的沉桩效果有明显的不
下假定： ① 桩作为线弹性材料考虑， 土体则考虑为弹塑性 ， Drucker － Prager 弹塑性模型； 材料 采用 ② 建立三维模型， 考虑到接触问题， 在桩和土之 间设置接触面单元， 设定接触分离的判断准则； ③ 不考虑土体的排水固结， 土体的强度指标由三 轴试验得到； ④ 不考虑土体的应力历史， 以及打桩引起的土体 初始位移场和应力场； ⑤ 同一层内的土得为均质、 各向同性； ⑥ 桩体非刚性， 自身有压缩； ⑦ 土体自重产生的变形在桩施工前已完成， 计算 中不计入自重应力； ⑧ 不考虑非挤土桩的松弛效应。 （ 2 ） 模型单元选择 在桩 － 土模型中由于桩的强度比周围土体的强度 高很多， 因此桩和土的单元采用线弹性， 在空间中， 桩 单元和周围土体采用 8 节点六面体等参数单元和退化 的六面体单元。 三维固体单元有 3 个移动自由度， 限 该单元适 制了 3 个转动自由度。 桩采用 Solid45 单元，
要： 振动沉桩过程是一个非常复杂的过程 ， 其复杂性源于土的动力性能和桩 － 土接触面的动力接触行为 。 应
用 D － P 准则， 借助 ANSYS 软件， 建立桩 － 土系统有限元模型， 选取合适的桩 － 土系统参数， 并得出在该参数下的桩位移 曲线。改变激振力振幅、 频率及土的内摩擦角、 粘结力和压缩模量等参数值 ， 得出相应参数下的桩位移曲线 。通过对比原 得出激振力幅值、 频率以及土的刚度和阻尼对沉桩速度和沉桩量的 参数下的桩位移曲线与改变参数后的桩位移曲线 ， 影响。 关键词： 振动沉桩； 有限元； 接触面； 动力学 中图分类号： TH237 文献标识码： B
桩 － 土仿真模型的建立 桩土之间的接触部分为接触面， 各土层分别与桩
若桩表面某点处的竖向剪应力超 的表面设置接触对， 过其抵抗强度， 即桩侧极限摩擦阻力时， 则在该点处桩
［6 － 8 ］ 。 土之间将发生相对滑动， 可用 D － P 准则来判定
为了简便， 将桩端阻尼简化为线性阻尼， 在建模时刚度 与阻尼直接用弹性体代替， 其有限元模型结构示意图 如图 3 所示， 其桩 － 土实体模型如图 4 所示。
Abstract：
Vibratory pile driving process is very complex． In order to analyze the dynamic behavior of a vibratory
soil system was created with the finite element software，based on pile driving process，the simulation model of the pilesuitable parameters of the pilesoil system and the DP criterion，the displacement curve of the pile was obtained． Then， the parameters of exciting force and soil were changed to obtain the displacement curves of the pile． Through comparison between the curves，the influences of parameters of exciting force and stiffness and damping of soil on the pile driving process were shown． Key words： vibratory pile driving； finite element； interface； dynamics 振动沉桩过程中， 由于桩土间的相互作用非常复 杂， 运用传统的建立力学模型的方式对沉桩过程进行 ［1 ］ 分析很难得到有效的结果 。 采用大型 有 限 元 软 件 ANSYS 模拟振动沉桩过程， 不仅可以更好地模拟振动 沉桩过程中桩 － 土的相互作用过程， 而且可以分析不 同的振动参数 （ 激振力频率、 振幅以及土体参数 ） 对沉
同
［3 ， 5 ］
。因此， 利用有限元软件研究不同参数下振动沉
桩的动力学问题， 具有重要意义。
1
1. 1
振动沉桩过程仿真
仿真模型简化 （ 1 ） 有限元软件中对模型的基本假定 在桩的竖向沉降情况下， 为简化分析过程， 特作如
基金项目： 国家自然科学基金项目 （ 50805020 ） ； 中央高校基本科研业务 费专项资金项目（ N090403004 ） 收稿日期： 2011 － 01 － 26 修改稿收到日期： 2011 － 03 － 11 1976 年 9 月生 第一作者 李小彭 男， 博士， 副教授，
振 第 31 卷第 7 期
动
与
冲
击 Vol． 31 No． 7 2012
JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK

振动沉桩过程的动力学仿真分析
李小彭，段泽亮，李
摘
涛，闻邦椿
（ 东北大学 机械工程与自动化学院 ， 沈阳 110004 ）
粘土 1 松质粘土 粘土 2
1. 2
振动沉桩系统力学模型 沉桩机与土体相互作用， 构成一个振动系统， 由于
土体的参振， 该系统具有来自于土的沉桩阻力， 那么振 动沉拔桩系统的力学模型可视为在液压缸的作用下， 机座和桩作两自由度的受迫振动。 工作原理示意图和 力学模型如图 1 和图 2 所示。
1． 3
比较以上曲线看出， 在沉桩过程中， 桩的下降速度 越慢， 位移曲线越平缓， 这是因为随着桩的沉入， 桩侧 摩擦力越大， 桩端阻力也越大。 沉桩开始的很短时间 内， 沉桩阻力很小， 桩在静力、 激振力以及桩自重的作 此时桩的位移是一直向下的， 即没有向上的 用下下沉， ， ， 振动 在一个振动周期内 桩的位移只有大小的变化， 没有方向的改变。 随着沉桩位移的增大， 下沉的阻力 随之增大。在一个周期内， 桩的位移出现振动， 且下行 由于静力和自重的作用， 下行程中施加 程大于上行程， 在桩上的力大于上行程中施加在桩上 的 力。 总 体 来 说， 桩的位移趋势是向下的， 但是速度越来越小。当桩
Dynamic simulation of a vibratory pile driving process LI Xiaopeng，DUAN Zeliang，LI Tao，WEN Bangchun
（ School of Mechanical Engineering and automation，Northeastern University，Shenyang 110004 ，China）