冰川冻土, 2020, 42(4): 1213-1219 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0100

寒区工程与灾害

考虑冻土效应的桥梁桩-土动力相互作用研究现状与展望

王万平,1, 张熙胤,1,2, 陈兴冲1, 王义1, 于生生1

1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070

2.中国科学院 西北生态环境资源研究院 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000

Study on dynamic interaction between bridge pile and soil with permafrost effect： status and review

WANG Wanping,1, ZHANG Xiyin,1,2, CHEN Xingchong1, WANG Yi1, YU Shengsheng1

1.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China

2.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

通讯作者: 张熙胤， 副教授， 从事寒区工程防震减灾研究. E-mail： zhangxiyin@mail.lzjtu.cn.

编委: 周成林

收稿日期: 2019-06-21   修回日期: 2020-07-15  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  51808273
中国博士后科学基金面上项目.  2018M643767
兰州交通大学“天佑青年托举人才计划”项目（张熙胤）
冻土工程国家重点实验室开放基金项目.  SKLFSE201912

Received: 2019-06-21   Revised: 2020-07-15  

作者简介 About authors

王万平（1994-），男，甘肃会宁人，2018年在烟台大学获学士学位，现为兰州交通大学在读硕士研究生，从事寒区桥梁抗震研究.E-mail：2786689150@qq.com , E-mail：2786689150@qq.com

摘要

冻土和地震是我国西部高寒高烈度地区桥梁工程建设中主要面临的两大挑战。冻土区线路工程广泛采用桩基础桥梁， 土体冻结后会显著影响地震作用下桩-土动力相互作用过程， 给桩基础桥梁抗震分析带来困难。首先系统总结和分析了冻土对桥梁结构地震响应的影响、 桩-冻土相互作用效应及其计算模型等方面的研究现状， 进而对相关成果进行了科学分析。研究表明： 冻土的存在对桥梁结构地震反应的影响是显著的， 桩基础桥梁抗震设计中不考虑冻土效应是不合理的。目前还存在的问题包括： 冻土区桥梁结构地震反应的研究中， 未充分考虑冻土效应； 现有桩-土相互作用模型无法有效应用于冻土领域； 地震作用下桩-冻土体系相互作用机理及其破坏特征不明确。在此基础上， 提出了考虑冻土效应后桥梁桩-土动力相互作用为今后需要重点研究的方向。

关键词： 冻土区 ; 桥梁结构 ; 桩-土动力相互作用 ; 地震反应

Abstract

permafrost （frozen soil） and earthquake are two major challenges for the bridge construction in cold regions with high earthquake intensity in western China. Especially to the widely applied bridges with pile-foundation， the permafrost will significantly affect the pile-soil dynamic interaction process under the earthquake action， and bring difficulties to the seismic analysis. Previous studies have shown that the presence of permafrost had a significant impact on the seismic response of bridge structures， and it was unreasonable without considering the effect of permafrost in the seismic design of pile foundation bridges. It is reviewed that the effect on seismic response of bridges， frozen soil-pile interaction effect and its calculation model and so on. It is unreasonable that not to consider permafrost effect on seismic design of bridge with pile foundation. The problems in current researches are： （1） soil freezing effect has not been fully considered in the research of the bridge seismic response in frozen regions； （2） the existing pile-soil interaction model is rarely applied in permafrost； （3） the interaction mechanism and destroy characteristics of pile-soil system under earthquake are not clear. Based on these situations， some proposals are put forward for future researches.

Keywords： permafrost region ; bridge structure ; pile-soil dynamic interaction ; seismic response

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本文引用格式

王万平, 张熙胤, 陈兴冲, 王义, 于生生. 考虑冻土效应的桥梁桩-土动力相互作用研究现状与展望[J]. 冰川冻土, 2020, 42(4): 1213-1219 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0100

WANG Wanping, ZHANG Xiyin, CHEN Xingchong, WANG Yi, YU Shengsheng. Study on dynamic interaction between bridge pile and soil with permafrost effect： status and review[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(4): 1213-1219 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0100

0 引言

冻土在我国分布广泛， 季节冻土（包括冻结深度大于0.45 m的季节冻土在内）和多年冻土面积接近全国总面积的70%［1］， 在我国西部地区冻土全区域覆盖。近年来， 随着“一带一路”和“西部大开发”国家战略的实施， 我国西部地区包括公路和铁路在内的基础设施工程建设突飞猛进。以青藏地区为代表， 青藏公路格尔木-拉萨段全长1 147 km， 穿越多年冻土区760 km［2］； 青海共和至玉树高速公路全长634.8 km， 其中多年冻土区路段达227 km［3］； 青藏铁路格拉段全长1 142 km， 其中穿过长达550 km的多年冻土区［4］。为了保证工程的质量以及最小程度的减小施工对周围冻土环境的扰动， 冻土区线路工程中大量采用了“以桥代路”的施工措施， 以青藏铁路格拉段为例， 全线共建大中型桥梁317座， 桥梁总长156.7 km， 其中冻土区“以桥代路”桥梁长达123.3 km［5］， 占线路总长的10.8％。图1和图2分别是青藏公路和铁路中典型的桥梁工程。

图1

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图1   青藏公路中的桥梁工程

Fig.1   Photo showing a bridge in the Qinghai-Tibet Highway


图2

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图2   青藏铁路中的桥梁工程

Fig.2   Photo showing a bridge in the Qinghai-Tibet Railway


我国西部地区属于地震多发区， 以青藏高原为代表， 该区域地质构造活跃， 地震活动频繁， 且震级较高［6-7］。统计数据表明1900年以来， 在中国及边邻地区发生8.0级地震约20次， 17次集中于我国大陆西部［8］。有学者统计了1963 - 2017年间我国大陆地区7.0级以上地震震中的分布， 可以得知我国大陆地区的大地震主要集中分布于西部地区［9］， 而青藏高原无疑是我国西部地震活动最强烈的地区［10］。近年来直接发生在青藏高原地区的典型较大地震包括2001年的8.1级昆仑山大地震［11］和2010年的7.1级玉树大地震［12］， 另外2008年发生的8.0级汶川大地震以及2017年的7.0级的九寨沟地震均与青藏高原地质构造活动相关［13-14］。

因此， 位于我国西部冻土地区的桥梁工程， 未来遭遇地震的可能性较大。对于冻土区广泛使用的桩基础桥梁， 由于冻土效应的存在， 使地震作用下桩-土动力相互作用过程复杂化， 给冻土区桩基础桥梁的抗震设计计算带来困难。所以， 考虑冻土效应的桩-土相互作用机理是冻土区桥梁设计及抗震研究中亟需解决的问题之一， 其研究同时具有重要的工程实用意义。国内外学者针对冻土区桥梁抗震开展了大量研究， 取得了一些成果， 但还存在一些问题， 本文从冻土对桥梁结构地震响应的影响、 桩-冻土相互作用效应及其计算模型等方面进行了比较全面的分析， 系统总结了考虑冻土效应的桥梁桩-土动力相互作用的研究现状及存在的问题， 梳理出了今后需要重点研究的方向。

1 考虑冻土效应的桥梁地震反应研究

俄罗斯是世界上冻土区面积分布最大的国家， 冻土区面积占陆地总面积的60%以上［15］， 加拿大多年冻土分布面积约为3.89×106 ~ 4.92×106 km2， 占全国面积的40% ~ 50%［16］， 而我国是世界第三大冻土国。除此之外， 日本和美国等众多国家地震区也都存在着季节冻土或多年冻土， 有早期研究报道过冻土层对结构地震反应及破坏特征的影响［17-18］， 但冻土对结构地震反应的具体影响在很长一段时间内并未得到足够的重视。1995年俄罗斯远东地区萨哈林岛发生7.5级强烈地震［19］， 2001年， 我国青藏高原多年冻土区发生了8.1级昆仑山大地震［20］， 2002年美国阿拉斯加多年冻土区发生了7.9级大地震［21］， 这几次冻土区地震让全世界的研究者们再次意识到了冻土对结构地震反应影响的重要性。

土体冻结， 首先会改变其力学特性， 进而会对地震作用下基础及上部结构造成影响。已有试验研究表明冻土层的存在会减小桥墩的地震反应， 具体表现在随着冻土层厚度的增加， 桥墩的地震响应呈减小的趋势［22］， 但冻土层的存在并不全是减小桥墩的地震反应， 也存在相反情况。另外有研究表明， 不同的地震波对于冻土-桩基-承台的地震响应是不同的， 冻土对S波有明显的放大作用， 冻土场地的加速度大于未冻场地， 但其对P波有抑制作用， 因此对不同地震类型的抗震设计应该分开计算［23］， 并且桥墩高度和场地类型也对冻土区桥墩的地震反应存在显著的影响［24-25］。其次， 近数十年由于全球气候变暖， 冻土区面临着退化， 意味着冻土的强度会降低， 从而对冻土区桥梁产生不利影响［26-27］。为了分析冻土退化时桥墩对随机地震的反应， 李涛［4］等对桥梁-轨道桥面-地基共同受力的全桥整体模型进行一系列分析， 发现随着全球气温的升高， 冻土融化， 地基约束力降低， 桥梁的自震周期增大， 墩身地震弯矩减小， 桩身弯矩与墩顶的位移增大； 张钊［28］通过有限元数值模拟分析发现饱冰粉土对温度变化比较敏感， 其退化对桥墩的抗震性能最不利， 这充分说明冻土的退化会对冻土区桥梁的抗震性能产生重大影响。也有学者研究了不同强度地震动下桩柱式桥墩结构的地震响应， 认为在基于性能的抗震设计和多级设防水准条件下， 对于冻土区桩基础桥梁， 只有考虑冻土影响才能得到其合理的抗震性能评价指标［29］， 因此在冻土区桩基础抗震计算中考虑冻土效应是非常有必要的。桩-土相互作用的机理非常复杂， 如果能够建立模型有效的模拟桩土相互作用， 势必给解决相关问题带来事半功倍的效果。

2 桩-冻土体系相互作用的效应及计算模型

桩土相互作用是一个非常复杂的过程， 要完全拟合实际情况通过积分的形式求出精确解是非常困难的， 解决此问题的有效方法是建立简化模型进行桩土相互作用效应模拟。桩-土相互作用模型目前较多， 但现有模型在冻土中的应用极为有限， 如何将现有的桩土相互作用分析方法和模型通过改进后应用到冻土中是今后研究的重点。

2.1　桩-土相互作用的分析模型

以下简要介绍了现阶段应用较为广泛的几种桩-土相互作用简化分析模型， 包括Penzien模型、 改进的集中质量模型、 动力Winkler模型、 改进的动力Winkler模型及动力BNWF模型理论。

（1） Penzien模型

该模型将整个群桩结构浓缩为一根合成的桩， 合成桩的面积、 抗弯惯性矩、 抗扭惯性矩等一些参数是各个单桩的面积、 抗弯惯性矩、 抗扭惯性矩之和。利用抗弯转动弹簧模拟轴力的抗弯作用， 如果有较大的扭转变形发生， 还要附加抗扭转动弹簧以模拟相应的位置所产生的抗扭作用。土的附加作用利用与桩直接连接的附加质量来模拟， 桩与土的相互作用通过水平桩土相互作用弹簧和阻尼器来表示， 具体如图3所示。Penzien模型本身将群桩合并为一个桩， 因此Penzien模型与群桩所包含的桩的根数无关， 只与土层的划分有关， 这是Penzien模型显著的优点。

图3

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图3   Penzien模型及改进的集中质量模型［30］

Fig.3   The Penzien model （a） and the improved lumped mass model （b）


（2） 改进的集中质量模型

孙利民等［30］在Penzien模型的基础上作了以下三方面的改进。

第一， 桩基础部分由单桩模型变为多桩模型， 桩的根数可与实际结构完全相同也可根据需要进行适当的并桩。假定桩间不发生相对水平位移， 则改进的模型与Penzien模型相比有以下两个优点： ①可以直接提供桩头处的抗转动刚度， 不再需要另外增加等效抗转动弹簧 ； ②受地震作用时， 桩的轴力将发生变化。

第二， 将Penzien模型中的附加质量赋予更具体的物理意义， 认为桩周围一定范围内的场地土与桩附着在一起共同运动。在模型中， 桩周土质量间增加了土的剪切弹簧和阻尼器。

第三， 增加了自由场地模型， 计算可由原Penzien模型的多点输入问题变为一个仅由基岩输入的相对坐标系下的动力反应问题。目前Penzien模型和改进的集中质量模型均未见在桩-冻土相互作用研究中应用。

（3） 动力Winkler模型

该模型将桩看成置于土介质中的梁， 将桩周土对桩的动力阻抗用连续分布且相互独立的弹簧和阻尼器代替， 可以进一步考虑土层沿深度的非均匀变化以及土的非线性性质。这种方法， 不仅能够考虑桩土的非线性， 而且能够分析群桩的竖向振动效应， 难点是确定桩土之间的弹簧刚度和阻尼［31］。

（4） 改进的动力Winkler模型

为了真实反映实际工程中桩土动力相互作用的工作状态， 许多学者对经典动力Winkler模型进行了改进， 以使模型能够更准确的模拟桩-土相互作用的过程， 为桩-土动力相互作用分析提供实用而有效的参数。最具代表性的改进的动力Winkler模型有Matlock非线性动力Winkler模型、 Nogami非线性动力Winkler模型、 Rojas非线性动力Winkler模型。目前， 动力Winkler模型和改进的动力Winkler模型也未见在桩-冻土相互作用研究中应用。

动力BNWF模型理论也常用于桩-土相互作用分析中。我国学者李永波等［32］在非线性BNWF模型的基础上， 提出了改进的桩-冻土作用的非线性分析模型， 在该模型中， 利用改进的双向无拉力多段屈服弹簧模拟桩侧冻土的水平非线性力学特性， 同时兼顾桩侧与冻土的竖向非线性摩擦效应， 桩尖土的挤压与分离作用以及远扬土体对桩基动力特性的影响。通过试验初步表明该模型在模拟桩-冻土相互作用中具有良好的拟合度， 但能否推广还需进一步研究。

2.2　考虑冻土效应的桩-土相互作用

地震作用下， 冻土-桩-结构体系各组成部分的运动和变形相互制约影响， 且冻土动力特性易受众多外界因素的干扰， 其动力特性改变会影响桩基及上部结构的力学行为。因此， 如何合理考虑冻土效应对桩-土动力相互作用的影响成为了冻土区桩基础桥梁抗震研究的关键问题之一。早期关于桩-冻土相互作用的研究大多侧重于竖向或水平静力荷载作用下桩基承载力、 变形及其与桩周冻土之间的相互作用关系［33-34］。近年来， 以Wotherspoona［35］为代表的国外学者分别在冬夏两季进行了相同的原型尺寸桩基础横向荷载试验， 试验结果表明冻土与基础的相互作用受冻结温度与冻土层的影响十分显著， 不同温度和冻土层条件下桩基的位移、 有效刚度、 最大力矩等都有着明显的差异。这足以说明冻土效应对桩-土相互作用的影响是不可忽略的。

桩-冻土相互作用首先体现在桩基与桩周土体温度之间的相互影响。一方面， 桩基对桩周冻土温度变化产生影响， 由于桩基材料良好的导热性加强了桩周冻土与大气的热交换， 导致桩周地温年较差明显增大， 改变了桩-冻土体系的动力特性， 从而影响到桩基础桥梁的地震响应［36］。同时， 冻土易受水热效应的影响［37］， 冻土区桩基施工时， 灌注混凝土的水化热和入模温度会对桩周冻土产生较大的热扰动， 使桩周土体的温度平衡状态破坏， 导致桩周土体的冻结强度降低， 使桩基承载能力降低［38-39］。另一方面， 冻土地基温度分布的差异对地震作用下桥梁桩基础的位移、 剪力和弯矩变化都具有显著的影响［40］， 蒋代军［41］以青藏高原多年冻土桩基工程为研究对象， 研究了不同温升条件下桩基承载力的计算方法与变化规律。也有学者通过室内模型试验研究发现， 融土表层范围内， 在负温条件下随着温度的升高， 桩身弯矩与桩身应变呈增大趋势， 而当温度继续升高至2 ℃融土状态时相应的桩身弯矩和桩身应变却显著减小， 桩基的水平临界荷载、 极限承载力、 承载力特征值均出现降低［42］。这充分说明冻土层温度对冻土区桥梁桩基础地震稳定性起着关键性作用。

其次， 冻土层在地震作用下可能发生液化， 严重时会导致建筑物受损， 研究显示在地基液化发生前， 冻土层可以给桩基提供一定的侧向约束， 有利于提高其承载力并抑制其侧向变形， 而土体一旦液化， 冻土层可能增强地基液化的趋势， 导致桩基承载性能下降［43］， 究其原因当地基土液化时， 由于冻土层的存在限制了孔隙水的排出， 从而导致了液化程度的加剧， 使桩基的侧向变形快速增长， 桩基的抗震性能大幅下降［44］。

3 结论与展望

本文系统总结了冻土对桥梁结构地震响应的影响、 桩-冻土相互作用效应及其计算模型等方面的研究现状。通过以上内容可以总结出目前桩-冻土相互作用研究中存在的主要问题有：

（1） 已有研究表明， 冻土对桥梁结构地震反应存在较大影响， 但现有的桩-土相互作用的研究未充分考虑冻土效应的影响， 给冻土区梁桩基础抗震分析带来影响。

（2） 桩-土相互作用模型较多， 但现有模型在冻土中应用很少， 给冻土区桩-土相互作用的分析带来困难。

（3） 地震作用下冻土区桥梁桩基础-冻土体系相互作用机理及破坏特征不明确， 冻土区桥梁桩基础抗震性能评估和抗震设防无法合理考虑冻土层对其的影响效应。

针对以上问题， 未来需要研究解决的方向有：

（1） 在冻土对桥梁结构地震反应研究中， 应当充分考虑冻土效应， 以此更加全面的反应真实的冻土区桥梁地震响应。

（2） 建立考虑冻土效应的桩-土相互作用计算模型， 为冻土区桥梁桩基础抗震分析提供理论支持。

（3） 揭示地震作用下多年冻土区桥梁桩-冻土体系相互作用机理及破坏特征， 为多年冻土区桥梁桩基础抗震性能评估和抗震设防提供科学依据。

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