橋樁-土-隧道體系動力相互作用的振動臺試驗研究

摘要：

為研究地震作用下橋樁-土-隧道體系的動力響應特性，依托某實際工程，設計出8個試驗工況，選取3種不同地震波類型及地震強度，開展幾何相似比為1/30的振動臺模型試驗，并從體系的固有頻率和加速度響應等方面進行分析。通過對比分析各個工況，結果表明：橋樁的存在會削弱周圍土體以及側穿隧道的加速度響應，而隧道的存在則會放大場地土以及附近橋樁的加速度響應;不同類型的地震波對橋樁-土-隧道體系動力響應的影響不同。試驗結論可為類似工程的抗震設計提供一定的理論指導。

關鍵詞：

橋樁-土-隧道體系; 動力相互作用; 振動臺試驗; 加速度響應

中圖分類號： TU921""""" 文獻標志碼：A"" 文章編號： 1000-0844（2024）05-1063-11

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220921002

Shaking table test on the dynamic interaction

of pile-soil-tunnel systems

XU Hongchun1， ZHANG Ya'nan2， ZHAO Dongxu2， BAI Xiaoxiao2

（1. College of Civil Architecture， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou 450046， Henan， China;

2. School of Civil Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， Liaoning， China）

Abstract：

This paper aims to study the dynamic response characteristics of bridge pile-soil-tunnel systems under seismic action. Eight test conditions are designed based on actual projects， three different seismic wave types and intensities are then selected， and shaking table model tests with a geometric similarity ratio of 1/30 are conducted to analyze the system from the aspects of natural frequency and acceleration response. The results show that the presence of the bridge pile weakens the acceleration responses of surrounding soil and lateral tunnel， while the existence of the tunnel amplifies the acceleration responses of site soil and nearby bridge pile. Different types of seismic waves have various effects on the dynamic response of the pile-soil-tunnel system. The experimental results can provide theoretical guidance for the seismic design of similar projects.

Keywords：

pile-soil-tunnel system; dynamic interaction; shaking table test; acceleration response

0 引言

目前，為解決我國各大城市地上交通擁堵問題，發展城市地下軌道交通成為首要選擇。隨著軌道交通的不斷建設，不可避免地對周圍建筑物產生影響［1］。為了提高城市的整體抗震能力，需同時考慮地下結構與地上結構的整體抗震性能［2］。

以往的研究主要集中于開展土-地上結構體系和土-地下結構體系的振動臺試驗［3-7］。陳國興等［8］通過土-隧道體系動力相互作用的振動臺試驗，得到了地鐵區間隧道結構，在水平向振動的影響下，縱向斷面應變的分布規律，以及隧道與土接觸面動土壓力的實測結果及其反應規律。Motamed等［9］開展了3×3樁群的1g振動臺模型試驗，結果表明，土體的位移和速度是影響群樁側力分配的最主要參數，且這2個參數主要與地基的幾何形狀有關。莊海洋等［10］通過進行振動臺試驗探究了飽和砂土地基液化的震害情況，結果發現在土-樁-隔震層-上部結構體系的動力相互作用中樁頂更容易遭受嚴重的地震破壞。阮志環等［11］基于某典型卵石土場地設計了振動臺試驗，結果表明，場地地表有明顯的放大效應，而卵石場地對地震波的傳播則存在著低頻放大，或高頻濾波的效果。

以上成果均主要針對單一結構體系進行的研究，而在結構地震反應分析中，應充分考慮地上結構-土-地下結構動力相互作用（Structure Soil Structure Interactions，SSSI）的問題。目前，國內外對SSSI的研究方法大多集中在理論分析和數值模擬［12-17］，開展的相關試驗十分有限。為了深入地認識地震作用下SSSI體系的作用機理，了解其影響規律，本文以某實際工程為背景，針對地震作用下橋樁-土-隧道相互作用體系的動力響應特性，采用幾何相似比為1/30的振動臺試驗展開研究，以期為類似工程體系的抗震設計提供參考依據。

1 實際工程背景

某工程中隧道側穿快軌3號線橋樁，快軌3號線上部結構推測為多跨連續梁結構。樁基礎的環境設施重要性分類為重要設施，樁徑根據物探資料為4.0 m，樁底標高為-17.30 m。隧道左線為礦山法暗挖隧道，斷面尺寸為9.4 m（寬）×10.4 m（長）;隧道右線為盾構法隧道，隧道外徑為6.2 m;隧道主要位于全、強、中風化鈣質板巖中，上覆巖土體主要為雜填土、淤泥、含碎石黏土和全風化鈣質板巖，屬非常接近重要設施的Ⅰ級環境風險源。工程斷面如圖1所示。

2 振動臺模型試驗

為了研究橋樁-土-隧道體系的地震響應規律，根據某實際工程，設計了一系列振動臺模型試驗。

2.1 相似比設計

本試驗在遼寧工程技術大學結構實驗室的模擬地震振動臺系統開展。振動臺臺面尺寸為3.0 m×3.0 m（長×寬），最大加速度為1.5g，最大有效載荷為10 t，其工作頻率為0.1～50 Hz。根據實際工程和振動臺尺寸，試驗設計模型的幾何相似比為1/30，基于Buckingham-π定理進行相似比設計，采用人工質量模型，選擇幾何尺寸、彈性模量、密度為模型結構的基本物理量，推導出滿足相似關系的其他物理量，如表1所列。

其中，lr表示模型結構的幾何尺寸相似比;Er表示模型結構的彈性模量相似比;ρr表示模型結構的質量密度相似比;σr表示模型結構的反應應力相似比;tr表示時間相似比;rr表示模型結構反應變位相似比;vr表示模型結構反應速度相似比;ar表示結構反應加速度相似比。

2.2 模型結構設計

結構模型采用彈性模量為3.0 GPa，泊松比為0.2，密度為1 180 kg/m3的有機玻璃。在原型結構中，將高架結構簡化為集中力作用于橋樁上，根據相似比計算為92.37 N。由于實驗室條件有限，最終橋樁結構的配重為100 kg，左隧道結構的配重為60 kg，右隧道結構的配重為30 kg。模型結構尺寸及其配重，如圖2所示。

2.3 模型土設計及模型箱

試驗模型土采用均質砂土制備，取自某施工場地的基坑中，經過曬干、篩分得到均勻干燥的細砂，通過人工鋪設在模型箱內。對模型土取樣進行室內試驗，得到模型土材料參數如表2所列。

振動臺試驗采用的模型箱為剛性箱，如圖2所示。使用M20的螺栓將模型箱固結在振動臺平面上，四周周圍放置斜支撐加固。模型箱的尺寸為2 m×2 m×1.5 m（長×寬×高），箱體內部采用200 mm厚的聚苯乙烯泡沫板，固定在側壁上，達到減小箱體邊界效應的效果，同時在泡沫板上鋪設聚苯乙烯塑料薄膜減少試驗過程中的摩擦。文獻［18］驗證了軟內襯剛性模型箱的可行性。

2.4 試驗工況及傳感器布置

試驗中主要監測內容包括隧道、橋樁以及場地土的加速度響應規律、橋樁-土-隧道體系的動力相互作用、隧道與橋樁的應變響應規律等。設計8組試驗工況，試驗中采用的傳感器有加速度傳感器A、應變片S及土壓力盒P。8組試驗工況如表3所列，其中FF工況和DTSP工況的傳感器布置如圖3所示。

2.5 試驗工況加載

本試驗采用逐級增加輸入波加速度幅值的方法，輸入El-Centro、Chi-Chi、Taft 3種地震波。El-Centro波是世界上第一條被記錄到的強震動，對于人類地震的研究有著重大的意義;Chi-Chi波是記錄發生在中國臺灣省，強度為7.62級的地震波;Taft波由于記錄完整、數據可靠，在研究地震響應中被廣泛引用。3種輸入地震波具體信息如表4所列。依據2.1中的相似關系對這3種地震波進行壓縮，如圖4為壓縮后幅值為0.1g的地震波加速度時程及傅里葉頻譜曲線。在加載El-Centro、Chi-Chi、Taft波之前，進行白噪聲掃頻，得到體系的固有頻率。地震波按0.1g、0.2g、0.3g的加速度幅值依次進行加載，具體試驗加載順序如表5所列。

3 試驗結果分析

本節對振動臺試驗所采集的數據進行系統化處理。首先，對試驗的邊界效應進行驗證；其次，對比分析各個體系的地震響應。由于篇幅有限，本文從頻率、加速度兩方面對橋樁-土-雙隧道體系的動力相互作用進行初步的探究。

3.1 邊界效應驗證

根據文獻［18］已經分析驗證了剛性箱內置柔性襯砌的可行性。為了更好地說明試驗數據的可靠性，需要對試驗的邊界效應進行驗證。以自由場地表監測點為驗證參數，引入邊界效應系數為驗證指標［19］，如下式所示：

μx，y=∑（xi-yi）2n-1X×100% （1）

式中：xi是參考點的加速度樣本值（參考點位于模型箱中心，遠離箱壁，本文取A14為參考點）;yi是其余測點的加速度樣本值;X是參考點的加速度峰值;n為參考點數目。

由于自由場左右對稱，因此選取右側2個監測點計算邊界效應指標，計算結果如表6所列。

分析表6可以發現，在不同地震波作用下，邊界效應系數表現為μ14，19＜μ14，20。這說明邊界效應系數隨著模型箱中心的距離增加而增大，但是邊界效應系數值都在10%以下。根據文獻［19］，試驗中邊界效應引起的試驗結果偏差在誤差范圍內。因此，本試驗得到的數據是可靠的。

3.2 體系固有頻率

試驗過程中采用傳遞函數法測量各個體系的固有頻率。在傳遞函數法中，頻率響應函數定義為記錄的加速度時程與輸入時程的比值。8種工況下體系的頻率響應曲線如圖5所示，一階頻率如表7所列。

通過圖5與表7對比分析可以發現，自由場的固有頻率明顯大于有橋樁、隧道存在時工況的固有頻率。這說明橋樁、隧道結構的存在減弱了體系的剛度，進而減小了體系的自振頻率。根據表7可知，單一隧道、單一橋樁及二者共同存在時，體系的固有頻率相差不大。這可能是由于縮尺試驗的原因，導致對結果的影響不明顯。

3.3 橋樁與隧道結構對場地加速度的影響規律

為了方便對試驗中不同工況不同測點的加速度響應進行對比分析，本節選取場地土表面測點A16，對比單樁（SP）和單隧道（LTS）工況下該測點分別在El-Centro、Chi-Chi、Taft波0.1g幅值下的加速度時程與傅里葉頻譜曲線。圖6為FF工況和SP工況下測點A16的加速度時程對比曲線與傅里葉頻譜對比曲線;圖7為FF工況與LTS工況下測點A16的加速度時程對比曲線與傅里葉頻率對比曲線。

由圖6對比分析發現，3種地震波作用下SP工況中測點A16的加速度峰值均小于FF工況中測點A16的加速度峰值，這表明橋樁結構的存在降低了周圍場地土的加速度響應。

由圖7可以看出，在3種地震波下作用下LTS工況中測點A16的加速度峰值均大于FF工況中測點A16的加速度峰值，這表明隧道結構的存在增大了周圍場地土的加速度響應。

3.4 橋樁與隧道間的影響規律

3.4.1 橋樁對隧道加速度的影響規律

為研究橋樁的存在對隧道加速度響應的影響，選取隧道結構上的測點A04，對比單隧道（LT）和橋樁-隧道（LTSP）工況下，該測點分別在幅值為0.1g的El-Centro、Chi-Chi、Taft波作用下的加速度時程與傅里葉頻譜曲線。圖8為LTSP工況與LT工況下測點A04的加速度時程與傅里葉頻譜的對比曲線。

從圖8中可以看出，在3種地震波作用下，LTSP工況中測點A04的加速度峰值均小于LT工況中測點A04的加速度峰值，這表明橋樁結構的存在降低了附近側穿隧道的加速度響應。

但不同地震波降低的程度有所不同，這與地震波自身頻譜特性有關。在Taft波作用下LT工況與LTSP工況的加速度峰值差異為6.04%，而在El-Centro波與Chi-Chi波作用下二者的加速度峰值差異分別為3.71%和3.70%。可見，在Taft波下橋樁的存在對隧道加速度響應的影響比El-Centro波和Chi-Chi波要大，El-Centro波和Chi-Chi波下二者差異基本一致。

3.4.2 隧道對橋樁加速度的影響規律

為研究隧道的存在對橋樁加速度響應的影響，選取橋樁上的測點A19，對比單樁（SP）和橋樁-隧道（LTSP）工況下該測點分別在幅值為0.1g的El-Centro、Chi-Chi、Taft波作用下的加速度時程與傅里葉頻譜曲線。圖9為LTSP工況與SP工況下測點A19的加速度時程與傅里葉頻譜的對比曲線。

從圖9中可以看出，3種地震波下LTSP工況中測點A19的加速度峰值均大于SP工況下測點A19的加速度峰值，這表明隧道的存在增大了橋樁的加速度響應。

不同的地震波對結構的動力影響規律不同，隧道結構對橋樁的加速度響應增大程度不同。經計算，SP工況與LTSP工況在El-Centro波作用下，二者加速度峰值差異為17.63%，而在Chi-Chi波與Taft波作用下二者的加速度峰值差異分別為8.4%和25.32%。可見，在Taft波作用下，隧道對橋樁的加速度響應影響效果更為顯著。

4 結論

為探討橋樁-土-隧道體系在地震荷載作用下相互作用的影響規律，本文以實際工程為背景，設計并開展了相關振動臺模型試驗，對試驗結果進行了分析，得到以下結論：

（1） 橋樁和隧道結構的存在會對體系的剛度產生減弱效果，從而降低了體系的自振頻率。

（2） 橋樁結構的存在會削弱周圍土體4.17%～10.34%的加速度響應，同時會降低側穿隧道3.70%～6.04%的加速度峰值。分析其原因是橋樁的振動會使周圍土體密實，進而導致土體對隧道的約束作用增強。

（3） 隧道的存在會放大10.29%～15.86%場地土的加速度響應，對附近橋樁的放大系數為1.084～1.253。其原因在于地下結構尺寸相對較大，減少了可以接受地震能量土體的質量，同時地震波作用于諸多界面上的反射加大了土體和橋樁的地震反應。

（4） 與地震波自身頻譜特性相關，不同地震波對場地或結構加速度響應的影響程度存在差異，因此在結論（2）和（3）中呈現出降低（放大）范圍。

在上述結論中，橋樁、隧道之間的相互作用規律均以某雙隧道近距離側穿橋樁樁基的實際工程為前提，這些結論可以為今后探究類似工程的地震響應提供參考，也可為后續的研究做準備。上述研究是以縮尺試驗為初步的規律性探究，后續將開展數值模擬對原型工程場地進行進一步的探究。

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（本文編輯：任 棟）