考慮土體季節性凍融效應的鐵路橋梁樁基礎抗震性能及影響因素分析

于生生，張熙胤，王萬平，黃安琪，張益舶，孫斌潔

(蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

我國西部凍土分布廣泛且地震活動頻繁，隨著我國西部大開發國家戰略的推進和交通基礎設施建設的發展，凍土區交通工程建設將更為普遍，除了已建成的蘭新鐵路、青藏鐵路及其延長線工程外，還有正在建設中的川藏鐵路、銀西高鐵等工程[1-2]，這些線性交通工程中樁基礎橋梁占據了較高的比例。而近年來我國西部地區地震活動極為頻繁[3-4]，因此，大量既有和新建鐵路樁基礎橋梁遭遇地震的危險性和可能性較大[5-6]，對其抗震性能影響因素的研究極為必要。

雖然樁基礎具有良好的抗震性能，但其震害情況在歷次大地震中仍普遍存在，特別是我國學者對集集地震震后樁基礎進行開挖，發現建筑物下的群樁基礎發生了大量折斷[7]，同樣在我國的唐山地震和日本阪神地震中也出現過此類現象[8]。目前針對樁基礎抗震性能的研究大多集中在非凍土地區，而對凍土區橋梁樁基礎抗震性能的研究較少。文獻[9-10]研究了土層性質對樁身的內力影響規律，發現樁身在土層分界面處的彎矩最大，在軟硬土層交界面處會發生彎矩突變。由此可以推斷凍土層的季節性凍融變化對橋梁樁基礎抗震性能的影響不容忽視。由于凍土與常規融土不同，其力學性質對外界作用極為敏感[11-13]，凍土力學特性的改變將會直接影響橋梁樁基礎的承載能力和穩定性，使樁基礎的破壞機理和抗震性能發生顯著變化[14]，文獻[15-16]研究了地基土凍結對樁基動力相互作用的影響，發現即便是厚度較小的季節凍土層也會對樁基的動力響應產生較大的影響。文獻[17-19]研究了樁-凍土體系在橫向荷載作用下的響應，發現季節凍土層的出現會不同程度提高樁-土體系的彈性剛度和剪切強度，降低其側向變形能力和樁基礎的塑性區長度，改變樁身最大彎矩出現位置。另外，Fei等[20]通過數值分析和擬靜力試驗方法研究了土體凍結對樁-土體系抗震性能的影響，研究結果表明土體凍結能使樁-土體系由延性向脆性轉變，建議寒區橋梁樁基抗震設計中考慮土體的凍結作用效應。為研究土的不同狀態對樁基礎橋梁地震反應的影響，國內學者王常峰等[21]以青藏線某跨度32 m的高樁承臺簡支梁橋為工程背景進行地震反應分析，研究表明非凍土狀態下樁的水平位移較大，而凍土狀態下樁的剪力及彎矩最大值較大，非凍土模型樁底部內力較大，而凍土模型樁頂部內力較大且內力較大值的分布區域相對較小。針對青藏鐵路高溫不穩定多年凍土區橋梁樁基礎，文獻[22-24]對不同土體溫度條件的橋梁樁基礎進行了地震響應分析，結果表明凍土層溫度對青藏鐵路橋梁樁基礎地震穩定性起到關鍵性作用。文獻[25-27]同樣以青藏鐵路橋梁樁基礎為例，研究發現凍土層及其溫度分布差異對地震作用下橋梁樁基礎的破壞機理、樁身位移和樁身內力分布都具有顯著的影響。

盡管以上學者對凍土區橋梁樁基礎抗震性能做了一些研究，但研究成果僅注重于凍土層的存在及其溫度變化對樁基礎地震響應的影響，并未對凍土區橋梁樁基礎的抗震性能影響因素及抗震性能的改善措施進行深入系統研究。而與多年凍土相比，季節凍土的土層厚度及動力特性更易受冷暖季過渡期的影響，因此本文以季節凍土區鐵路樁基礎重力式橋墩為研究對象，開展了凍土-樁基礎相互作用擬靜力試驗研究，并建立了凍土-樁基礎橋墩的有限元模型，在擬靜力試驗結果驗證了有限元模型的正確性與可靠性基礎上，進一步分析了季節凍土層厚度、冷暖季過渡期季節凍土表層融深、樁長和樁徑、墩頂荷載以及樁基配筋率等因素對橋梁樁基礎抗震性能的影響規律。研究結果可為季節凍土區鐵路橋梁樁基礎抗震設計及性能改善提供參考和依據。

1 凍土區鐵路橋梁樁基礎擬靜力試驗研究及有限元模型驗證

1.1 擬靜力模型試驗設計

以某鐵路樁基礎重力式橋墩1∶8縮尺模型為研究對象，橋墩采用高樁承臺基礎。模型橋墩、承臺及樁基采用C30混凝土。模型橋墩縱筋采用6φ12 的HRB335鋼筋，其配筋率為0.38%；樁基礎均勻布置4φ6 的HPB300鋼筋，其配筋率為0.4%，承臺按規范配構造鋼筋。模型尺寸和配筋見圖1。將橋墩模型的自重、梁體自重及二期恒載的總和按相似比縮小，施加到模型墩頂的豎向力總計188.5 kN，其中包括上部梁體自重97.4 kN和彌補縮尺后模型橋墩混凝土容重不足所施加的配重荷載91.1 kN。土槽內填筑粉土，通過在土層內埋設銅管并與恒溫控制器相連接實現土體的降溫與凍結。本次試驗溫度隨土體深度變化曲線見圖2。試驗時在模型墩頂施加水平低周往復荷載，加載制度采用位移控制，在20 mm位移荷載之前采用2 mm步長加載，在20～50 mm之間采用5 mm步長加載。

圖1 模型尺寸與配筋構造(單位：mm)

圖2 溫度隨土體深度變化曲線

1.2 試驗結果分析

當墩頂加載位移較小時，土體及橋墩均處于彈性狀態，隨著墩頂位移的增大，在樁頂處出現微小裂縫而土體仍處于彈性狀態，模型水平承載力不斷增大。在加載中期，樁基礎表現出更加強烈的非線性，同時樁身出現了明顯的抬升，模型承載力增加速率變緩，整體剛度變小，當到達加載后期時，墩頂承載力開始出現略微下降。試驗過程中土體表面與橋墩均未發現裂縫，樁基礎裂縫主要集中在地表附近，約在距承臺底面6～15 cm處，見圖3(a)。橋墩樁基礎擬靜力試驗的荷載-位移曲線見圖3(b)。

圖3 擬靜力試驗樁基礎破壞圖及荷載-位移曲線

1.3 有限元模型的驗證1.3.1 有限元模型建立

為使模型的加載位置與試驗保持一致，有限元模型中橋墩高度取0.9 m。同時為了考慮邊界效應的影響，土體寬度取5 m，高度取2 m。其余條件均與擬靜力試驗中保持一致。混凝土和土體均采用三維實體單元(C3D8R)，鋼筋采用桁架單元(T3D2)。經過大量試算后土體網格尺寸取20 cm，其有限元模型見圖4。

混凝土本構采用混凝土損傷塑性模型(CDP模型)[28]；鋼筋本構選用改進的Clough滯回模型[29]；土體本構選用Mohr-Coulomb模型[30]，土體本構參數見表1。表1中土體參數均為試驗用土的實測值，試驗儀器為CSY-20型低溫凍土三軸儀。

圖4 樁基礎橋墩三維實體有限元模型

表1 土體本構參數

1.3.2 擬靜力試驗結果與數值模擬結果對比

有限元模型在水平荷載下的應力分布云圖見圖5，其最大應力分布于距承臺底面0～20 cm處，與試驗中樁基的破壞位置基本一致。有限元分析與擬靜力試驗的骨架曲線對比見圖6。由圖6可見，模擬所得的骨架曲線與試驗結果擬合的較好，而由于試驗模型在制作、安裝過程中存在一定誤差，使試驗骨架曲線不對稱，造成了數值模擬與試驗結果中正向承載力存在偏差。但總體來說，該有限元模型可準確模擬水平低周往復荷載作用下高樁承臺基礎橋墩的力學行為。

圖5 混凝土應力分布云圖(單位：Pa)

圖6 有限元分析與擬靜力試驗的骨架曲線對比

2 凍土區鐵路橋梁樁基礎抗震性能分析

為深入系統地研究凍土區鐵路橋梁樁基礎抗震性能影響因素，基于Abaqus有限元軟件建立了凍土區鐵路樁基礎橋墩有限元模型，系統分析了季節凍土層厚度h、季節凍土表層融深h1、樁長l和樁徑d、墩頂荷載P以及樁基配筋率ρ等6種因素對凍土區橋梁樁基礎抗震性能的影響規律。由于缺乏橋址地區地質條件及原狀土的相關參數，影響原型結構有限元建模的精準性，為實現快速化精準建模，依舊采用上述已經驗證過的有限元縮尺模型，參數化分析時只是通過改變基準模型中的參數來研究凍土區鐵路橋梁樁基礎抗震性能的影響因素。不同模型基本參數見表2。表2中，模型1為基準模型，其參數與擬靜力試驗中的參數保持一致；模型2和模型3主要考慮季節凍土層的影響，其中模型2為季節凍土層完全凍結狀態，模型3為非凍土狀態，即凍土層厚度為0；模型4和模型5主要考慮冷暖季過渡期表層凍土融化的影響，融化層深度分別取0.1、0.2 m對比；模型6和模型7主要考慮樁基長度的影響，模型8和模型9主要考慮樁徑的影響，模型10和模型11主要考慮樁基配筋率的影響，其中模型6—模型11中樁基參數主要根據地質條件、施工條件以及鐵路等級取值[31]；模型12和模型13主要考慮墩頂豎向荷載的影響，其取值按照橋墩上部不同長度梁體的自重確定。

表2 模型基本參數

2.1 骨架曲線特性

不同參數下高樁承臺基礎橋墩的骨架曲線見圖7。不同模型的骨架曲線特性見表3。由圖7和表3可見：

(1)季節凍土層的存在對鐵路橋墩高樁承臺基礎的承載能力影響十分顯著，其大大提高了鐵路樁-土體系的水平承載能力，但當凍土層達到一定厚度時，其樁基礎橋墩的水平承載能力不再提高，甚至出現了略微的下降，此時樁基礎橋墩的水平承載能力主要由樁基礎本身強度所決定。

(2)季節凍土表面出現融化層后對鐵路高樁承臺基礎橋墩的水平承載能力極為不利，表現為隨著凍土表層融深的出現及加深，樁-土體系水平承載能力和變形能力呈下降的趨勢。

(3)當樁基礎長度增加10 cm時，模型的水平承載能力幾乎不變；當樁基礎長度增加20 cm時，水平承載能力增加了28.5%。因此，在鐵路橋梁高樁承臺基礎抗震設計中應合理設計樁基長度。

(4)在一定范圍內，鐵路高樁承臺基礎橋墩的承載能力隨著樁基直徑、墩頂豎向荷載和配筋率的增加有不同程度的增加，但會減弱高樁承臺基礎橋墩的變形能力。

但是，隨著供應鏈金融的發展，其中也暴露了一些問題，沒有按照預期那樣的發展。參與的主體極其的多，信息流動錯綜復雜。商業、信息、物流動態、資金流動等信息分散在鏈的各個環節中。即使是核心企業，也沒能掌握鏈上全部的信息。商業銀行主導的供應鏈金融沒有達到預期的發展， 二三級經銷商、供應商沒能得到核心企業的信用背書，融資較為困難。從整體角度審視，信息透明沒有得到充分的展示。信息不對稱成為了阻礙發展的重要因素。

圖7 不同參數下高樁承臺基礎橋墩骨架曲線

表3 不同模型的骨架曲線特性

2.2 剛度特性

在不同參數下高樁承臺基礎橋墩的剛度退化曲線見圖8。由圖8可見，各模型的剛度退化規律基本一致，在達到塑性位移前，剛度隨著荷載的增加而迅速下降，達到塑性位移以后，衰減速度放緩，并在后期趨于平穩。其中，季節凍土層和季節凍土表面融化層的存在對鐵路高樁承臺基礎橋墩的初始剛度和中后期等效剛度影響最為顯著，具體表現為季節凍土層的存在可大大提高模型的等效剛度，季節凍土表面融化層的存在則反之。同時隨著樁長、樁徑和配筋率的增加模型的剛度也會有不同程度提高，而模型的剛度幾乎不受墩頂豎向荷載的影響。

圖8 在不同參數下高樁承臺基礎橋墩的剛度退化曲線

2.3 不同影響因素下樁身受力分布

地震作用下樁基礎的震害是普遍存在，樁身位移、樁身彎矩和樁身剪力是樁基礎結構抗震設計中應考慮的重要參數，確定這些參數沿樁身分布情況，有利于樁身抗震設計和樁身破壞機理研究。

2.3.1 樁身位移響應

不同參數對高樁承臺基礎樁身位移的影響規律見圖9。由圖9可見，季節凍土層的存在使樁頂最大位移減小了40%，而季節凍土區凍土表面融化層的出現使樁頂最大位移增加43%，樁長、樁徑、墩頂豎向荷載以及配筋率等對樁基礎的最大位移幾乎沒有影響。這是因為樁身的位移主要取決于土體對樁的約束作用，當土體凍結后其強度和剛度都顯著增大，凍土層的抗力對樁基礎的阻礙作用大大增強，從而限制了樁基礎位移的發展，土體融化后反之。

圖9 不同參數對樁身位移的影響規律

圖10 不同參數對樁身彎矩響應的影響

2.3.2 樁身彎矩響應

不同影響因素下高樁承臺基礎樁身彎矩分布對比見圖10。由圖10可見，季節凍土層厚度、季節凍土表層融深的變化以及不同樁徑對樁身彎矩分布情況影響較大。不含凍土層時樁身最大彎矩發生在埋深0.2 m位置處，當有季節凍土層存在時樁頂位置處彎矩最大且樁身有負彎矩出現，但樁身最大彎矩的數值比不含凍土層時小。當季節凍土表面出現融化層時，樁身最大正彎矩出現在埋深0.15 m處，且隨著表面融化層厚度的增加樁身彎矩呈減小趨勢，最大正、負彎矩位置也在逐漸下移。隨著樁徑的增加，樁身彎矩顯著增大，最大正、負彎矩可分別增加93%、141%，因此通過增大樁徑來提高承載能力對于樁身的受力極為不利。而隨著樁長的增加，樁身最大正彎矩幾乎不變，負彎矩略有增加，墩頂荷載和樁基配筋率對樁身彎矩影響很小。

2.3.3 樁身剪力響應

不同參數對樁基礎剪力分布的影響見圖11。由圖11可見，樁身最大正剪力都發生在樁頂處，而最大負剪力發生在埋深0.3～0.6 m處。其中，季節凍土層的存在會增大樁身的剪力，樁身最大負剪力不僅增幅明顯，而且位置發生了上移，相反隨著季節凍土表層融深的加大，樁身最大剪力逐漸減小，最大負剪力的發生位置下移。同樣增加樁長會減小樁身剪力，而增大樁徑會增加樁身剪力，墩頂豎向荷載和樁基配筋率基本不會影響樁身剪力分布。

圖11 不同參數對樁身剪力響應的影響

3 結論

通過對凍土區鐵路橋梁高樁承臺基礎非線性受力特征及影響參數分析，可得到以下結論：

(1)建立的有限元模型可有效模擬水平荷載作用下鐵路橋梁高樁承臺基礎的力學行為，試驗及數值結果均表明凍土區鐵路橋梁高樁承臺基礎的樁頂處為易損部位。

(2)季節凍土層的存在不僅可以顯著提高高樁承臺基礎的水平承載能力，而且可有效增強其整體剛度，同時也可減小樁基礎的水平位移和樁身彎矩，有利于鐵路高樁承臺基礎橋梁的抵抗水平地震力，但當凍土層達到一定厚度時，其水平承載能力不會繼續提升。

(3)凍土融化后的力學性質與非凍土不同，其融化后在荷載作用下具有較強的流變性，土體軟化將直接降低樁-土體系在水平荷載作用下的受力性能，使樁身位移顯著加大，建議在寒區高樁承臺基礎橋梁抗震設計中充分考慮土體的季節凍融效應。

(4)合理設計樁基長度可有效提高鐵路高樁承臺基礎橋墩的抗震能力，而樁徑的增加雖然會對樁基的水平承載能力略有提高，但對樁身的受力卻極為不利，因此通過增大樁徑來提升結構水平承載能力在鐵路橋梁高樁承臺基礎抗震設計時應不予優先考慮。

(5)在水平低周往復荷載作用下，隨著墩頂豎向荷載和樁基礎配筋率的增加，樁-土體系的水平承載能力呈增大趨勢，變形能力逐漸減小，但是幾乎不會影響高樁承臺基礎的水平位移和內力分布。

通過對凍土區鐵路橋梁高樁承臺基礎非線性受力特征及影響參數分析，得到了一些有益的結論，但研究結果具有一定的局限性，仍存在未完善之處，在今后的研究中有待更深入的研究：①擬靜力試驗和有限元參數化分析時均采用的是高樁承臺基礎橋墩，研究結論僅適用于凍土區鐵路橋梁高樁承臺基礎，對于低樁承臺基礎的水平受力性能還需進一步研究；②研究模型所采用的橋墩高寬比較小，屬于矮墩柱，矮墩柱結構和高墩結構的高樁承臺基礎內力分布及水平受力性能有著顯著的差異，因此研究結論是否適用于高墩結構還需后續進一步研究。