凍土區橋梁樁基礎抗震試驗研究現狀及展望

齊煜，張熙胤，王萬平，等.2024.凍土區橋梁樁基礎抗震試驗研究現狀及展望［J］.地震研究，47（1）：051-061，doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0034.

Qi Y，Zhang X Y，Wang W P，et al.2024.Research status and prospect of seismic test of the bridge pile foundation in frozen soil region［J］.Journal of Seismological Research，47（1）：051-061，doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0034.

摘要：總結了現階段凍土區橋梁樁基礎抗震試驗研究的主要任務，從試驗的目的、優勢、設計和不足等方面對凍土三軸壓縮試驗、樁-凍土體系擬靜力試驗和地震模擬振動臺試驗的研究現狀進行了系統的總結與分析，提出了相應的改進措施和發展方向。考慮到室內試驗中橋梁樁基礎-凍土相互作用體系實施難度的問題，提出了采用子結構試驗方法開展凍土區橋梁抗震試驗的思路。

關鍵詞：凍土區；橋梁樁基礎；三軸壓縮試驗；擬靜力試驗；振動臺試驗

中圖分類號：U442.5+5；TU317"""文獻標識碼：A"""文章編號：1000-0666（2024）01-0051-11

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0034

0"引言

凍土是指負溫或零溫并含有冰的土類和巖石。我國是世界第三大凍土國，多年凍土和季節凍土面積分別占國土面積的21.5%和53.5%（馬巍，王大雁，2012），主要分布于東北、西北和青藏高原地區。隨著我國“一帶一路”倡議的實施以及推進西部大開發形成新格局的要求，西部凍土區必將迎來新一輪重大公路和鐵路工程的建設熱潮。已經建成運營的青藏公路、青藏鐵路、共玉高速公路，以及正在規劃或建設的川藏鐵路、青藏高速公路等國家級“百年大計”工程，都大量采用了以橋帶路的施工方案（薛翊國等，2020）。青藏鐵路格爾木至拉薩段，全長1 142 km，穿越凍土地段632 km，以橋代路的橋梁長度達120 km（黃海，2004），占線路總長的10%。為了減少對凍土的熱擾動影響以及防止凍脹、融沉等不良地質現象對橋梁的破壞，基礎形式以樁基礎為主。

我國是世界上地震災害最嚴重的國家之一。20世紀以來，三分之一的大陸型強震發生在我國境內。西部凍土區是我國地震頻發區之一，近年來發生在該地區的典型大地震包括 2001 年昆侖山口西M_S8.1大地震、 2010 年青海玉樹M_S7.1地震以及2021年青海瑪多M_S7.4地震。以青藏鐵路為代表的西部凍土區重大線路工程上的樁基礎橋梁在整個服役期間遭受地震災害的可能性非常大（張熙胤等，2020a），因此，開展凍土區橋梁樁基礎抗震試驗研究，對既有橋梁的抗震加固與震后修復、新建橋梁的抗震設計具有重要意義。

1"凍土區橋梁樁基礎抗震試驗研究任務

試驗是工程結構抗震研究的重要手段之一，通過試驗可以直觀地得到結構的力學參數、荷載響應、破壞特征等信息。早期的凍土區橋梁樁基礎（圖1，2）抗震理論不完善，凍土層對橋梁樁基礎抗震性能的影響尚不明確，學者們通過開展凍土區橋梁樁基礎抗震試驗來驗證理論和猜想的正確性及適用性，如Vaziri和Han（1991）對處于季節性凍土層中的足尺樁進行了現場試驗，結果表明即使是0.4 m的凍土層也會對樁的動力響應產生顯著影響，與無凍土層相比，凍土層中樁基礎的水平剛度和共振頻率都大大提高。其試驗結果對以下理論和猜想進行了驗證：①有學者認為，只有季節性凍土層深度超過0.5 m時，工程構筑物才會呈現出明顯的凍、融災害（馬巍，王大雁，2014）。Vaziri和Han（1991）的試驗則表明，在考慮季節性凍融對樁基礎抗震性能的影響時，這種報道并不準確。②Novak和Sheta（1980）為了研究高應變下土體屈服可能引起的非線性對樁響應的影響，引入了邊界區的概念，認為樁周圓柱形環帶區域內的土體性質與周圍均質土體不同，其中的一些假設受到了部分學者的質疑。Vaziri和Han（1991）的試驗結果可被用來檢驗邊界區概念所提出的假設的實際影響。

20世紀60年代，工程設計中的“計算機輔助工程”（Computer Aided Engineering，CAE）開始出現，到90年代，CAE軟件在功能、可靠性、對運行環境的適應性等方面已基本能滿足用戶需求（董其伍等，2002），科學研究由傳統的理論和試驗兩類基本方法發展成理論、試驗和數值模擬三足鼎立的研究體系（中國公路學報編輯部，2014）。在凍土區橋梁抗震研究領域，也有越來越多的學者開始使用CAE軟件，如ANSYS、ABAQUS、MIDAS等來分析橋梁樁基礎在地震作用下的響應情況，并通過參數調整和模型修改進行多種工況下的抗震研究，一定程度上解決了因工況較多試驗難以全部開展的問題，推動了凍土區橋梁樁基礎抗震研究的發展。而在進行多工況計算前，模型的動力參數、材料屬性等需要通過試驗獲得，其接觸設計、網格劃分等是否合理也需要通過對比模擬結果與試驗結果來驗證。綜上所述，現階段凍土區橋梁樁基礎抗震試驗研究的主要任務包括以下3個方面：①獲得結構的恢復力特性、動力響應等，分析結構的破壞機理和抗震性能。②利用試驗數據為數值模型提供參數，如凍土的力學參數：彈性模量、摩擦角等。③驗證抗震計算理論和計算模型的正確性，如將試驗獲得的結構恢復力特性、破壞特征、動力響應等與模擬結果進行比對，驗證模型的正確性。

2"凍土區橋梁樁基礎抗震試驗研究現狀

2.1"凍土三軸壓縮試驗

凍土的靜力學性質和動力學性質與對應的融土相比均存在較大差異（陳敦等，2017；雷樂樂等，2018），對橋梁結構的地震反應有顯著影響（陳興沖等，2003）。為研究凍土區橋梁樁基礎抗震性能，需要開展凍土力學特性試驗。三軸壓縮試驗是一種較完善且常用的測定土體力學特性的試驗方法（周永毅等，2022）。通過凍土三軸試驗研究凍土力學參數的變化規律，可以為凍土區橋梁樁基礎地震模擬的參數確定提供理論依據。

隨著全球變暖的加劇，多年凍土層溫度的升高成為必然趨勢（Lu et al，2017），此外凍土的力學性質與土壤類型、含水率、加載速率、干密度和圍壓等密切相關（齊吉琳，馬巍，2010），學者們以上述因素為變量開展了不同類型的三軸壓縮試驗，如趙淑萍等（2003）對取自青藏鐵路北麓河試驗段的兩種路基土進行動三軸試驗，通過對試驗數據進行回歸分析，得到凍結粉質黏土、凍結細砂彈性模量和動阻尼與頻率之間的對數關系式；王麗霞等（2005）對采自青藏鐵路中的粉質黏土進行低溫動、靜三軸對比試驗，研究表明凍土的內摩擦角和破壞所需的動應力都隨振動頻率的增大而減小，即隨著地震烈度的增大，凍土更易被破壞；王萬平等（2022）對蘭州黃土過篩烘干，人工調配不同含水率后進行低溫凍土三軸試驗，指出以最優含水率為分界點，凍土的黏聚力和內摩擦角呈現先增大后減小的變化趨勢。在實際工程中有必要考慮凍土初始含水率與最優含水率的關系，初始含水率低于最優含水率時對樁-凍土體系的穩定性更有利。目前對凍土力學性質影響因素的研究較多考慮的是單因素或雙因素的影響。Zhang等（2023）將取自西北寒區的粉質黏土碾碎、烘干后制樣，通過低溫動三軸試驗，綜合研究了圍壓、溫度、含水率及加載頻率耦合作用下凍結粉質黏土動彈性模量、參考應變幅值和阻尼比的變化規律，并提出預測公式。

在數值模擬中，以土體建模常用的Mohr-Coulomb模型為例，所需的彈性模量、摩擦角、膨脹角、黏聚力、屈服應力、絕對塑性應變等參數均要通過試驗獲得，所以確保試驗數據的準確性對模擬結果有重要意義。由于埋置較深的多年凍土取樣不易以及有進行多工況研究的需要，學者們進行凍土三軸壓縮試驗時較多采用人工降溫的重塑土作為試樣，但已有研究表明重塑土在初始切線模量、抗剪強度、滲透系數變化、強度衰減等方面均與原狀土存在一定差異（王淑云，樓志剛，2000；顧正維等，2003；楊雪強等，2013；王炳忠等，2019）。重塑土的制備工藝一般包括碾碎篩分、配置靜置、分層擊實、包裹保濕等環節（圖3），一些學者通過優化制備工藝或添加外加劑的方法對重塑土進行性質改良（聶良佐，2007；羅開泰等，2013；周林康等，2018），但因未以凍土為研究對象，不能證實該方法對凍土具有適用性。開展凍土三軸壓縮試驗中重塑土試樣的優化研究，減小重塑土對試驗結果的影響是需要關注的重點方向。

2.2"樁-凍土體系擬靜力試驗

擬靜力試驗是以一定的力或位移作為控制值對結構進行低周循環加載，用以模擬地震時結構在往復振動中受力和變形特點的一種試驗方式。擬靜力試驗的加載可以隨時停止或調整，便于觀測結構的開裂和破壞狀態。同時，模型尺寸相對較大，減小了尺寸效應對試驗結果的影響。通過試驗可以得到結構的滯回曲線、骨架曲線、累計耗能、等效黏滯阻尼比、屈服位移、極限位移、延性系數、剛度退化等信息，以此來分析結構的抗震性能。

擬靜力試驗是結構抗震試驗中應用最廣泛的試驗方法（杜修力等，2021），在凍土區橋梁樁基礎抗震研究領域，學者們也開展了眾多的此類試驗。Sritharan等（2007）在夏季（23 ℃）和冬季（-10 ℃和-6 ℃）對美國愛荷華州立大學冰磧試驗場的3個樁基礎橋柱施加循環側向荷載，并建立考慮溫度變化對樁-土-結構相互作用影響的有限元模型。模擬的樁身最大彎矩位置與試驗基本一致，驗證了模型的正確性。隨后開展了溫度為-1 ℃、-7 ℃、-20 ℃和10 ℃的模擬，結果顯示季節性凍土層的存在增大了體系的有效剛度，但使塑性區長度減少，導致結構由延性破壞轉變為脆性破壞，這與抗震延性設計方法相違背且給震后修復增加了難度。基于此，Yang等（2023）考慮采用一種對溫度不敏感的復合材料代替樁周土，來降低土體季節性凍融對樁基礎抗震性能的不利影響。通過對3個1∶12的混凝土樁進行土體未凍結、凍結和局部置換并凍結3種工況下的擬靜力試驗，發現土體凍結時樁發生了脆性破壞，證實了季節性凍土對樁基礎抗震的不利影響，土體局部置換并凍結時樁的破壞模式、滯回曲線、骨架曲線、彎矩分布、割線剛度等與土體未凍結時基本一致，表明局部替換方法可以有效降低土體季節性凍融對樁基礎的不利影響。現行抗震設計中較少考慮季節性凍土區溫度變化的影響。Wotherspoon等（2010a，b）對季節性凍土區的兩個室外樁基礎進行循環橫向加載，根據試驗結果建立了考慮季節性凍土區的樁基礎橋梁地震反應分析模型。在對模型進行25、72、500和2 500 a重現期的地震波加載時發現，夏季模型和冬季模型最大彎矩的變化規律存在明顯差異。對于季節性凍土區的樁基礎橋梁，在進行基于性能的抗震設計和多級設防水準條件下，只有考慮季節性凍融的影響才能得到合理的抗震性能評價指標。Li和Yang（2017）通過對室外試驗場地的鋼管混凝土樁施加循環的靜態側向荷載開展地震作用下的凍土側阻力研究，根據樁身彎矩和撓度數據提出了凍結粉土的p-y曲線，采用曲線對試樁進行建模的結果與試驗結果吻合較好，可以為凍結粉土p-y曲線的參數選取提供參考。張熙胤等（2022b，c）、Guan等（2022）和Zhang等（2021，2022a，b）以青藏鐵路沿線典型樁基礎橋梁為依托，設計制作了1∶8縮尺的高承臺樁基礎橋墩模型，將與制冷循環機相連的冷卻管預先埋設在土體內部，并在土體四周鋪設保溫棉，從而實現了土體的凍結與保溫（圖4）。在此基礎上開展了非凍土、季節性凍土和多年凍土環境下的擬靜力試驗，并建立了凍土-高承臺樁基礎有限元模型，模型所用凍土力學參數取自三軸試驗（王萬平等，2022）。于生生等（2022）將模擬所得的骨架曲線與試驗數據進行對比，擬合情況較好，驗證了模型的合理性（圖5）。并基于有限元模型，系統分析了季節凍土層厚度、季節凍土表層融深、樁長、樁徑、樁自由端長度、墩頂荷載以及樁基配筋率等因素對凍土區橋梁樁基礎抗震性能的影響規律，研究結果可以為凍土區橋梁樁基礎抗震設計提供參考。

擬靜力試驗的缺點是用靜力模擬地震對工程結構的作用，不能反映應變速率的影響，Fei等（2018）提出了用修正的von Mises模型來模擬應變速率、溫度和干密度對凍結粉土力學性質的影響，利用季節性凍土層中的兩根大型鋼套管混凝土樁在水平荷載作用下的現場試驗數據對有限元模型進行了校準，為凍土區橋梁樁基礎擬靜力試驗的完善提供了參考。此外，地震對結構的作用為三維作用，而目前開展的凍土區橋梁樁基礎擬靜力試驗較少考慮地震的多向耦合效應，不能反映橋梁樁基礎在地震作用下的真實響應，試驗結果高估了結構的抗震性能（邱法維等，2001；夏樟華等，2012）。李宏男等（2013）研究表明只要采用合理的荷載分布形式和加載制度，擬靜力試驗也能較好地再現結構在地震中的破壞狀態，因此開展多維加載試驗并研究合理的加載規則可以成為凍土區擬靜力試驗的研究方向。

2.3"地震模擬振動臺試驗

地震模擬振動臺試驗通過振動臺臺面對結構輸入地面運動，模擬地震波對結構的作用，能真實再現結構開裂至破壞的全過程，是在實驗室中研究地震反應和破壞機理、檢驗結構抗震性能最直接的方法（王燕華，2018）。1994年美國北嶺地震和1995年日本阪神地震后，許多國家和地區強烈地意識到強震觀測的重要性，紛紛提高強震觀測臺網布設密度，擴大臺網覆蓋面積（周雍年，2001），因而記錄到大量真實的地震波數據，可供振動臺試驗加載時使用，推動了振動臺試驗的發展。較為經典的有EL-Centro波、Northridge波、Taft波和汶川波等。與房屋或高層建筑的振動臺試驗不同，開展凍土區橋梁樁基礎振動臺試驗，首先需要一個能承裝地基土和樁體模型的容器，但是有限尺寸的容器會導致地震波在邊界處發生反射，對試驗結果產生影響，即“模型箱效應”。常見的試驗土箱有剛性土箱，圓柱形柔性土箱和層狀剪切模型箱3種。層狀剪切模型箱能較好地模擬土體的剪切變形，同時由于其是剛性框架結構，也能對土體提供側向約束，阻止土體向外膨脹，因而在樁-土動力作用試驗中被廣泛使用（陳之毅，李月陽，2015）。圖6為蘭州交通大學單向電液伺服驅動式3 m×3 m地震模擬振動臺及層狀剪切模型箱。

吳志堅等（2009）以多年凍土區青藏鐵路清水河特大橋的樁基礎為研究對象，開展了1∶100的縮尺振動臺試驗。在模型箱四周內襯絕熱保溫材料，使用低溫酒精進行恒溫冷浴循環對土體進行降溫，模擬多年凍土環境，模型樁使用水泥與砂按1∶3的比例制備，強度為C30。試驗結果表明地震荷載會導致樁周土體產生升溫效應，使多年凍土強度下降，地基承載力減小。吳志堅等（2010，2003）和Che等（2014）根據試驗結果建立清水河特大橋樁基礎有限元模型，進一步研究地震動作用下凍土升溫效應對樁基礎的影響，土體參數取自低溫動三軸試驗。模擬結果表明，溫度升高會對凍土-樁體系的地震響應產生顯著影響，增大樁與土體的滑移和脫離，對樁基礎的穩定性產生不利影響。楊潤林等（2014a，b）用水泥砂漿層模擬季節性凍土，用長1.4 m、直徑5 cm、壁厚為0.18 cm的Q235空心鋼管樁模擬橋梁樁基礎，開展了振動臺試驗，研究地震激勵下凍土、液化砂土與樁之間的相互作用。結果表明，地基液化前，季節性凍土層為樁基提供了一定的側向約束，從而提高了樁基的承載力；液化發生后凍土層使地基液化趨勢增強，導致樁基承載力下降。1964年美國阿拉斯加M_W9.2特大地震中液化土層上覆凍土的側向擴展誘發了廣泛的橋梁基礎破壞，Yang等（2012，2018）以此為研究對象開展振動臺試驗，試驗結果揭示出凍土中樁的破壞機制與樁承臺連接處相似，凍土層在液化導致的地面側向擴展中充當了天然承臺的作用，約束了樁頭的轉動。該研究為有限元模型的校準提供了數據，有助于深入了解液化引起的側向擴展作用下凍土層對樁基抗震性能的影響。Chen等（2012）對一根長406 mm、直徑6 mm的鋼管混凝土樁進行了自由水平振動試驗，提出可以采用自由衰減響應信號來監測樁-凍土相互作用的響應情況。凍土區尤其是多年凍土區的樁基礎一般埋置較深，檢測難度較大，該研究對估算多年凍土區樁基礎的完整性和剛度有重要意義。

模型混凝土和原型結構材料屬性的相似程度對地震模擬振動臺試驗至關重要，由于臺面尺寸和承載能力的限制，以及對模型土體負溫的精度控制，凍土區地震模擬振動臺試驗的模型比例一般較小，而混凝土結構的小比例強度模型，其材料的完全相似難以得到滿足。一些學者使用金屬材料來模擬樁體，這種方法可以模擬彈性狀態，但很難再現鋼筋混凝土的非彈性損傷行為。微粒混凝土是一種由小粒徑骨料、水泥和水按一定比例組成的新型人工材料。20世紀90年代后，我國學者逐步開展微粒混凝土的相關研究（鞠楊等，1994；楊政等，2002；沈朝勇等，2005），結果表明，可以通過合理的級配和選材獲得滿足原型混凝土抗壓強度、彈性模量、表觀密度等相似要求的微粒混凝土（沈德建，呂西林，2010；李綠宇，國巍，2016；劉暢等，2021）。為提高試驗結果的準確性，可以在凍土區樁基礎振動臺試驗中考慮采用滿足凍土區樁基礎材料相似性的微粒混凝土替代常規混凝土材料。

2.4"子結構試驗方法

地震對結構的破壞一般從薄弱環節開始，這些部位在地震作用下的力學行為通常伴隨著大變形和強非線性，需要通過試驗才能理解和把握。結構其余部分損傷程度較低，用數值模擬方法計算也有較高的精度。這種將真實的物理加載試驗和有限元數值模擬耦合使用的試驗方法稱為子結構試驗，試驗部分為試驗子結構，模擬部分為計算子結構。

樁-土相互作用一直是橋梁抗震研究中的重點，由于土體的非線性，完全擬合實際情況求出精確解是非常困難的，通常選擇建立簡化模型模擬樁-土相互作用效應。但是因為凍土受溫度和水熱效應的影響，現有樁-土相互作用計算模型無法有效應用于凍土領域（王萬平等，2020），給凍土區橋梁樁基礎的抗震分析帶來困難。子結構試驗為解決此問題提供了思路，將樁基礎作為試驗子結構，加載位移由樁-凍土結構整體動力方程計算，土體的非線性特征被包含在測量的恢復力之中。數值子結構計算的精確性是試驗成功的關鍵，美國伊利諾斯州立大學研發的UI-SinCor系統、加州伯克利分校提出的OpenFresco系統、湖南大學建設的網格化結構實驗室NetSLab、中國臺灣地區工程研究中心搭建的混合試驗平臺等（王濤，潘鵬，2018）均在不同程度上提高了數值子結構計算的精確性，使開展子結構試驗彌補樁-凍土相互作用計算模型的不足成為可能。

受試驗設備尺寸的限制，傳統振動臺試驗中將土和結構同時作為試驗對象的整體分析法難以適用于長大型橋梁，李振寶等（2011）將土模型作為計算子結構，橋梁作為試驗子結構，提出了一種考慮土-結構相互作用的多維多點地震模擬振動臺試驗方法。郭珺等（2017）對一座多跨連續剛構橋梁進行考慮土-結構相互作用的抗震性能研究，1∶25縮尺后模型總長仍有14 m，試驗設備無法滿足研究要求。將橋墩基礎與土體作為數值子結構，將橋梁自身作為試驗子結構完成了現有設備條件下考慮土-結構相互作用影響的振動臺試驗。針對傳統振動臺試驗只能完成小尺寸儲罐模型試驗的問題，Xu等（2020）提出了一種考慮土-結構相互作用的振動臺子結構試驗方法用以研究大型儲罐的抗震性能，通過理論分析和試驗結果驗證了該方法的可行性，該方法可以為橋梁等大型結構的振動臺試驗提供參考。綜上所述，考慮到室內試驗中橋梁樁基礎-凍土相互作用體系的實施難度較大，子結構試驗方法可以成為今后凍土區橋梁樁基礎抗震試驗的重點關注方向，對推動凍土區橋梁樁基礎抗震研究有重要價值。

3"結論

本文總結了現階段凍土區橋梁樁基礎抗震試驗的任務，對國內外凍土區橋梁樁基礎抗震性能試驗的研究現狀進行了詳細論述，指出了試驗設計中存在的一些不足，得出以下主要結論：

（1）凍土三軸壓縮試驗較多采用重塑土，為提高試驗的準確性需要對重塑土進行性能優化，而對重塑土性能優化的研究較少針對凍土。

（2）樁-凍土體系擬靜力試驗主要以一維加載為主，難以反映樁基礎在實際地震作用下的響應情況，研究合理的荷載分布形式和加載規則，開展多維擬靜力試驗，可以成為凍土區擬靜力試驗的發展趨勢。

（3）由于臺面尺寸和承載能力的限制，以及對模型土體負溫的精度控制，凍土區地震模擬振動臺試驗的模型比例一般較小，難以滿足與原型材料的相似比要求，可以在凍土區樁基礎振動臺試驗中，考慮采用滿足與樁基礎材料相似性的微粒混凝土替代常規混凝土材料。

（4）樁-凍土相互作用計算模型尚不完善，并且考慮樁-凍土相互作用時，傳統振動臺試驗對長大型橋梁無法適用，子結構試驗方法能夠有效解決以上問題，可以成為今后凍土區橋梁樁基礎抗震試驗的重點關注方向。

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Research Status and Prospect of Seismic Test of the Bridge Pile Foundation in Frozen Soil Region

QI Yu，ZHANG Xiyin，WANG Wanping，HUANG Anqi，ZHANG Wenjing

（School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，Gansu，China）

Abstract

This paper provides a comprehensive overview of the current research on seismic testing of bridge pile foundations in the frozen soil region.The purpose，advantages，design，and shortcomings of the frozen soil triaxial compression test，the pile-frozen soil system pseudo-static test，and the seismic simulation shaking table test are systematically summarized and analyzed；corresponding improvement measures and development directions are proposed.Considering the challenges associated with implementing the interaction system between the bridge pile foundations and the frozen soil in laboratory experiments，the idea of utilizing the substructure test method to conduct seismic testing of bridges in the frozen soil regions is proposed.

Keywords：frozen soil region；bridge pile foundation；triaxial compression test；pseudo-static test；shaking table test

*收稿日期：2023-07-03.

基金項目：甘肅省教育廳優秀研究生“創新之星”項目（2023CXZX-597）.

第一作者簡介：齊"煜（1996-），碩士研究生在讀，主要從事凍土區橋梁抗震研究.E-mail：403665532@qq.com.

?通信作者簡介：（張熙胤（1989-），教授，博士生導師，主要從事寒區工程防災減災研究.E-mail：zhangxiyin@mail.lzjtu.cn.