冻土层对桩基础铁路重力式桥墩抗震性能的影响研究

徐振江,张熙胤, 管嘉达,于生生,孙斌洁,张益舶

(兰州交通大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730070)

0 引言

冻土在我国分布广泛,其中季节性冻土面积约占我国领土总面积的53.5%,主要分布在西北、东北和华北地区[1]。随着国家西部开发和东北振兴等发展战略的持续推进,我国西北和东北季节性冻土区建设了大规模的线性工程,其中包括哈大、哈齐和兰新等高速铁路以及川藏铁路等。桩基础桥墩由于沉降量小、承载力高以及对冻土热扰动小的优势而被广泛应用于冻土区的公路和铁路桥梁建设中[2-3]。同时,我国季节性冻土区存在许多大而密集的地层活动断裂带,地震频繁发生,如1986年5.5级德都地震、2010年7.1级玉树大地震[4]和2021年7.4级玛多大地震[5]等。当季节性冻土区发生地震时,桩基础桥墩的地震反应将受到季节冻土层的显著影响,从而导致桩基础桥梁的破坏及破坏机理发生变化。已有研究发现季节性冻土层的存在会改变场地土层的动力特性,对地震引起的地面运动将产生显著影响[6],给季节性冻土区桥梁的抗震设防带来困难。

大量研究表明桩基础桥墩的地震反应在有无冻土情况下具有显著区别,建议抗震设计中考虑冻土层的影响[7]。VAZIRI等[8]和HAN等[9]通过在模型桩的顶部施加水平激振力,发现季节性冻土层在厚度不足0.5 m的情况下亦能显著影响桩基的地震响应。SULEIMAN等[10-12]以季节性冻土区的公路桩柱式桥墩为研究对象,探究了季节性冻融对桥墩-基础-土体系在横向载荷作用下响应的影响,结果表明随着季节性冻土层厚度的增加以及土体温度的降低,桩基础桥墩的刚度有明显提高,桩基础的塑性区长度减少,并且会改变最大弯矩出现的位置。虞庐松等[13]通过对随机地震作用下桩基础桥墩的地震响应进行计算,发现随着冻土层厚度的增加,桥墩的地震响应呈减小趋势,说明冻土层的存在对桩基础桥墩抗震来说是有利的。对于季节性冻土区的桩基础桥墩来说,相对于夏季土层的融化状态,在冬季冻结状态下由于土体的刚度提高,对桩的嵌固作用较强,体系的振动周期较短[14]。随着季节性冻土层的出现及加深,场地地震反应呈减小趋势,总体表现为季节冻土层对地震具有一定的抑制作用,有利于建筑物的地震安全性[15]。不同时期土层的性质会发生很大的变化,其产生的地震力以及其对桩基础桥墩的嵌固作用也会因此改变,所以不同季节桩基础桥墩的地震反应是不同的;在抗震设计中应考虑冬夏两季桩基础桥墩地震力的变化, 选取其中的最不利情况进行抗震设计[7]。

目前考虑季节性冻土影响的桩基础铁路重力式桥墩的研究偏少,研究者进行考虑桩-土相互作用桩基础桥墩抗震性能研究时并未充分考虑季节性冻土层的影响,此外桩基础铁路桥墩的抗震设计也未考虑季节性冻土的影响。为了揭示季节性冻土层对桩基础铁路桥墩抗震性能的影响机理,本文首先进行了拟静力模型试验研究,并以此为基础建立了有限元分析模型,从冻土层厚度、剪跨比、轴压比及承台埋深等方面分析了各因素对冻土影响下桩基础桥墩抗震性能的影响,旨在为季节性冻土区桩基础铁路桥墩抗震设计提供理论依据。

1 拟静力试验设计

1.1 模型设计

本试验以我国高速铁路中普遍采用的重力式桩基础桥墩作为原型,以1∶8缩尺比例制作桥墩-承台-桩基础模型,模型墩、桩和承台均采用C30混凝土,模型桩的纵向钢筋采用4根直径6mm的HPB300钢筋组成,模型墩的纵向受力钢筋则采用6根直径为12mm的HRB335钢筋,配筋率为0.36%,桩基础和墩身的所有箍筋均采用HPB300钢筋。本次模型试验前分别预留了3个150mm×150mm×150mm 的标准试件和不同规格钢筋材料,通过材料试验测得混凝土及钢筋的材性参数如表1所示。模型桥墩简化为矩形,桥墩尺寸及配筋图分别如图1和图2所示。试验土体选用广泛分布于我国西北季节性冻土区的粉质黏土,通过在土体表层铺设铜管与低温恒温控制器相连接实现土体的降温冻结模拟季节性冻土层。

表1 钢筋混凝土基本参数Table 1 Basic parameters of reinforced concrete MPa

图1 模型尺寸图Fig.1 Dimension drawing of model图2 模型配筋图Fig.2 Reinforcement drawing of model

1.2 配重装置和加载制度

试验装置如图3所示。通过埋设在土体上部的铜管与低温恒温控制器相连接实现土体的降温冻结现象。通过埋设在土体中心不同深度处的温度传感器来监控土体的温度数据。荷载加载系统包括水平和竖向加载。试验过程中用配重的方式在桥墩顶部施加竖向荷载,竖向配重由一个工字型的钢梁和2根可以连接地面的精轧螺纹钢组成,通过拧紧地锚螺栓来给桩基础桥墩施加指定的竖向荷载。为保证墩顶发生水平位移后仍能有效施加轴压力,墩顶和横梁之间放置有橡胶垫,同时地面处设置有活动支座来适应水平向加载;横向加载装置中的加力设备为伺服式液压千斤顶,水平液压伺服千斤顶通过位移控制的方式在桩基础桥墩的顶部施加周期性横向载荷,直至桩-桥墩-土体系发生失效破坏。本次模型试验的加载制度如图4所示。在加载位移达到20mm之前,位移梯度为2mm,加载位移从20mm至破坏的期间位移梯度为5mm,每个加载步骤重复3次,本试验中的极限加载位移为55mm。

图3 试验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of test device

图4 位移加载历程Fig.4 Displacement loading history

2 试验结果分析

2.1 桥墩破坏特征

本次模型试验加载结束后桩基础桥墩裂缝开展如图5所示。加载位移为±12mm时,模型桥墩西侧土体与承台出现轻微分离;加载位移为±14mm时,南侧墩底出现轻微裂缝,加载位移为±16mm时,西侧墩底出现细微裂缝;加载位移为±18mm时,墩底西侧、南侧裂缝开始延伸,同时墩身东侧270mm高度处出现裂缝并贯穿;加载位移为±20mm时,南侧墩身出现斜裂缝并贯穿;加载位移为±25mm时,墩身西侧裂缝延伸、扩展;加载位移为±30mm时,西侧承台与土体之间的间隙明显增大;加载位移为±35mm时,承台南侧土体出现八字裂缝;加载位移为±45mm时,东北方向墩底混凝土剥落;加载位移为±55mm时,墩身四周裂缝和墩底裂缝贯通,试件发生破坏;挖土时发现桩上也出现了微裂缝,但并未形成塑性铰。

图5 模型裂缝开展示意图Fig.5 Schematic diagram of model crack development

2.2 滞回特性

试验的滞回和骨架曲线如图6所示。由图可知,当墩顶加载位移较小时,滞回环面积较小,此时试件能量耗散较弱,模型桥墩处于弹性阶段;随着加载位移不断增大,滞回环的形状从狭窄逐渐变成比较丰满的梭形,能量耗散增加,试件处于弹塑性阶段;随着试件墩顶位移的继续增大,滞回环的面积增大,累计耗能增大,试件进入屈服阶段,滞回环形状逐渐发生变化,从梭形慢慢的发展为倒S形出现捏拢现象;当加载位移55mm进行到第二次循环时,侧向力急剧下降到峰值的85%以下,试件破坏。并且随着循环加载位移逐渐增大,骨架曲线在峰值出现之前斜率逐渐减小,峰值出现之后侧向力开始下降并于55mm时出现突变。

图6 试验滞回与骨架曲线Fig.6 Hysteretic and skeleton curves of tests

随着加载位移的增大,桥墩顶部的侧向力越来越大,当侧向力达到峰值后再增大加载位移,侧向力会保持一段时间,之后桥墩顶部的侧向力突然下降到峰值的0.85倍以下,桥墩构件失去承载能力。在相同位移幅值下,随着循环次数的增加,试件加载曲线斜率减小,而卸载曲线斜率几乎不变,说明同级循环位移载荷下桥墩加载刚度在不断退化,而卸载刚度则保持稳定,每次循环的加载过程均会使得桥墩损伤加剧。

2.3 能量耗散与刚度退化

随着加载位移的逐渐增大,桩基础桥墩耗散的地震能量在逐渐增大,桥墩发生破坏时桩-土-桥墩体系的耗能能力出现了突然的下降如图7所示。试验过程中桩-土-桥墩体系的刚度随着加载位移的增加呈现出前期退化显著,但退化速度在不断减缓的趋势,如图8所示。

图7 能量耗散Fig.7 Energy dissipation

图8 刚度退化Fig.8 Stiffness degradation

3 有限元模型建立及验证

3.1 模型参数

1)热力学参数

土体的热力学参数如表2所示,桩基础桥墩的钢筋和混凝土热力学参数如表3所示。

表2 土体热力学参数[16]Table 2 Thermo-dynamic parameters of soil mass[16]

表3 桩基础桥墩热力学参数[17]Table 3 Thermo-dynamic parameters of pile foundation pier[17]

2)力学参数

混凝土和钢筋参数与试验一致,混凝土本构及土体参数取值如表4和表5所示。

表4 混凝土本构基本参数取值Table 4 Values of basic concrete constitutive parameters

表5 土体参数取值[18-19]Table 5 Values of soil parameters[18-19]

3.2 单元类型及接触关系

1)传热模型

分析步类型采用热传导,混凝土使用DC3D8 单元[20-21];钢筋笼使用传热单元DC1D2模拟。土体与承台、土体与桩均采用绑定的方式进行连接[16],将钢筋笼嵌入到混凝土内部,保证模型各构件的位置和接触在热传导过程中不发生变化。

2)力学模型

桩基础桥墩和土体采用三维实体单元C3D8R模拟,钢筋采用桁架单元T3D2模拟,钢筋笼与混凝土之间使用“嵌入”功能来实现相互之间的粘结作用,暂未考虑混凝土与钢筋之间的滑移[22]。在桥墩顶面中心处设置一个参考点与桥墩顶面之间定义耦合约束,这与试验时在墩顶与工字梁之间加入橡胶垫块的目的是一致的。桩基础桥墩与土体之间的接触部分采用面与面接触的方式来模拟,切向采用“罚”函数,设置随土体温度变化而变化的摩擦系数来模拟不同温度时土体与桩基础桥墩之间的摩擦现象,法向采用“硬”接触约束类型来模拟桩基础桥墩和土体之间的接触、分离现象。

3.3 模型本构及加载方式

1)传热模型

在预应力场中给模型整体赋予20 ℃的初始温度,然后给模型上、下表面施加70 d的20 ℃恒温使土体模型形成稳定的地温场,以此保证土体温度场在试验开始之前处于20 ℃的恒温状态。为了尽量和试验对照,模型各部分的尺寸与拟静力试验中保持一致,随后依据试验过程中温度传感器所采集的温度数据给土体施加相应的温度边界条件,土体四周一直施加绝热边界条件。

2)力学模型

混凝土采用塑性损伤本构模型[23],钢筋采用改进的Clough模型[24],土体采用摩尔-库伦本构模型[25],土体材料属性随温度变化而变化,同时在土体材料属性中设置线膨胀系数来模拟土体的冻胀融沉现象。将土体底部设置为固定约束,侧向边界只对法向进行约束。在初始分析步加相应的约束边界条件并传递,步骤1设置为地应力分析步,在该分析步中加重力荷载,后续分析步都设置为静力分析步。步骤2中将热传导分析结果中的温度场导入到该模型中,赋予模型与试验相同的温度场,同时通过线膨胀系数使土体出现冻胀融沉现象,分析步时间与热传导分析设置一致。后续分析步在墩顶参考点分别施加竖向荷载和水平反复位移荷载对模型进行分析。水平位移加载级数与试验相同,每级循环一次。力学模型和传热模型网格划分要完全一致。

3.4 模型验证

1)温度场对比

试验通过在土体表层铺设铜管与低温恒温控制器相连接实现土体的降温冻结模拟季节冻土区土体温度场。但由于开始试验前一段时间打开了土体表面保温层,外部环境温度较高,导致表层土体的温度有所回升,季节冻土表层出现了轻微融化现象。有限元模型采用与试验相同的条件设置温度边界,模拟的土体温度场如图9所示,所得土体随深度变化的温度曲线与模型试验进行对比,结果如图10所示,两者吻合较好。

图9 土体温度场分布Fig.9 Distribution of soil temperature field

图10 土体温度曲线对比Fig.10 Comparison of soil temperature curves

2)力-位移曲线对比

将传热模型中分析得到的温度场结果导入到力学模型中,在加载前完成体系温度场的建立,并通过线膨胀系数来实现土体的冻胀融沉行为,从而在土体内部形成应力场,实现热-力耦合过程。通过图11中的试验和有限元力-位移曲线对比可以看出,模型能够较为准确地模拟冻土影响下的桩基础桥墩的力学行为,可以保证后续参数分析的合理性和可靠性。

图11 力-位移曲线对比图Fig.11 Comparison of force displacement curves

4 季冻区桩基础桥墩抗震性能因素分析

4.1 模型参数概述

以王万平等[26]做的静三轴试验为依据进行参数分析,土体的力学参数如表6所示,钢筋和混凝土的参数取值和试验一致。具体工况设置如表7所示。模型1是基准模型。模型2和模型3主要研究的是季节冻土层厚度对桩基础桥墩的抗震性能影响,模型2土体为常温土体,模型3土体的冻土层厚度为500mm;模型4和模型5研究的是桥墩剪跨比对桩基础桥墩抗震性能的影响,通过调整桩基础桥墩的墩身高度来实现剪跨比的变化;模型6和模型7研究的是轴压比对桩基础桥墩抗震性能的影响,调整墩顶竖向力的大小来形成不同的轴压比;模型8和模型9研究的是承台埋深对桩基础桥墩抗震性能的影响。不同冻土层厚度下的温度场分布和温度曲线如图12、图13所示,其他参数变化对土体温度场几乎没有影响,可以保证其他参数变化的模型均在表层季节冻土厚度一致的前提下进行分析。

表6 土体力学参数[26]Table 6 Mechanical parameters of soil mass[26]

表7 模型基本工况Table 7 Basic working conditions of the model

图12 土体温度分布图Fig.12 Soil temperature distribution

图13 温度曲线对比图Fig.13 Comparison diagram of temperature curves

4.2 滞回曲线特性

不同参数下冻土存在的铁路桩基础桥墩的滞回及骨架曲线如图14和图15所示。

图14 不同参数下的滞回曲线Fig.14 Hysteretic curves under different parameters

图15 不同参数下的骨架曲线Fig.15 Skeleton curves under different parameters

季节冻土层的存在对桩基础铁路重力式桥墩的抗震性能影响较为明显,其可以大大提高桩基础铁路重力式桥墩的水平承载能力,并且滞回曲线更加饱满。冻土层厚度为0.3m时,桩基础桥墩的极限水平承载能力是常温土工况下的2倍。但当冻土层达到一定厚度时,其影响会变弱,水平极限承载能力不再继续提升,滞回环耗能变化不大,此时桩-土-桥墩体系的水平承载能力主要由桩基础桥墩本身强度决定;在给定位移状态下,随着剪跨比的增大,冻土影响下的桩基础桥墩的极限水平承载能力逐渐降低,滞回曲线的捏拢效应逐渐显著,但是桩-土-桥墩体系侧向力下降段的出现变得越来越晚,桩-土-桥墩体系的侧向变形能力有一定提高;而且随着轴压比的增大,冻土影响下的桩基础桥墩的极限水平承载能力出现了大幅度的提高。轴压比为2.1%时的极限水平承载能力为63.88kN,而轴压比为10%的桩基础桥墩的极限水平承载能力为94.27kN。但是轴压比越大,桩-土-桥墩体系骨架曲线的下降段越早出现,并且下降速度越快,说明轴压比增大会加快冻土影响下的桩基础桥墩发生破坏;承台埋入深度对冻土影响下的桩基础桥墩抗震性能的影响表现为随着整体埋入深度的减小,桩-土-桥墩体系的极限水平承载能力逐渐下降,同时相同加载位移下桩基础桥墩的滞回环面积减小,这是因为承台埋入深度减少导致土体对桩基础桥墩的嵌固能力降低,从而使桩-土-桥墩体系的抗震能力降低。

4.3 耗能能力

桥墩的累计耗能定义为力-位移滞回曲线各封闭滞回环所包围的面积之和。桩-土-桥墩体系的累积耗能随位移变化的曲线如图16所示。

图16 不同参数下的耗能曲线Fig.16 Energy consumption curves of different parameters

由图16可知,加载初期,墩顶位移荷载均较小,同一种参数下的不同模型的累积耗能相差较小;但随着加载位移的增大,不同模型墩顶侧向力的差距会逐渐增大,从而导致同一种参数下的不同模型的累积耗能相差越来越大。

冻土层厚度的出现及增加会增大桩-土-桥墩体系在给定位移状态下耗散的地震能量,这是因为冻土层对于桩基础桥墩的嵌固作用较强,达到相同位移荷载所需的侧向力增大从而导致耗散了更多地震能量;相同加载位移下,随着剪跨比的增大,桩-土-桥墩体系的累积耗能越少,这是因为剪跨比的增大导致墩顶的横向位移荷载向下传导的路径变远,墩顶相同位移作用下墩底薄弱区变形减小,所需侧向力也会减小,从而使桩-土-桥墩体系耗散地震能量减少;相同加载位移下,轴压比越大,桩-土-桥墩体系的累积耗能越多,因为轴压比的增大会增强对桥墩的约束作用,导致相同位移下桥墩顶部的侧向力增大;承台埋入深度的减小也会极大的减小相同位移下桩-土-桥墩体系的耗散的地震能量,这是因为承台埋入深度的减少会导致土体对桩基础桥墩的嵌固作用减弱,达到相同加载位移所需的侧向力减小。

4.4 刚度退化

试件在反复荷载作用下的刚度退化特性,可以用割线刚度来表示。图17给出了在冻土层厚度、剪跨比、轴压比和承台埋深等因素影响下桩基础铁路重力式桥墩的刚度随加载位移变化的曲线。

图17 不同参数下的刚度退化曲线Fig.17 Stiffness degradation curves of different parameters

总的来说,各模型的刚度退化规律基本一致,加载初期,刚度随着荷载的增加而迅速下降,随着加载位移的增大,衰减速度放缓,并在后期趋于平稳。

冻土层厚度的增加会导致桩-土-桥墩体系的整体刚度增加,但刚度退化速度会加快。土体冻结后强度和刚度均显著增加,因此冻土层存在时对桩基础桥墩约束作用增强,导致桩-土-桥墩体系的初始刚度显著增加;但是随着剪跨比的增加,桩-土-桥墩体系的初始刚度明显降低,同时刚度退化的速度明显放缓,位移加载至55mm时,各模型的刚度相差不大;而轴压比从2.1%上升至5%时,桩-土-桥墩体系的初始刚度和整体刚度退化曲线均有明显提高,但轴压比从5%上升至10%时其影响变得微弱;承台埋深的增加会使桩-土-桥墩体系的初始刚度和整体刚度退化曲线会随着埋深增加有一定提高,但变化并不显著。

5 结论

本文通过拟静力试验与有限元分析相结合的方法分析了冻土影响下桩基础铁路重力式桥墩的地震破坏特征以及不同影响因素对地震作用下桩基础-冻土相互作用过程的影响,得出以下主要结论:

1)拟静力试验过程中,在水平往复荷载作用下桥墩墩身底部形成塑性铰,最终墩身裂缝贯通导致桥墩发生破坏,同时桩身位置处也出现了轻微破坏,但并未形成塑性铰。

2)在一定范围内冻土层厚度的增大可以提高桩基础桥墩的抗震性能,但超出这一范围后继续增大对桩基础桥墩承载力的增幅效果会变的微弱,同时冻土层厚度的增加会加速桩-土-桥墩体系的破坏。

3)剪跨比的增大和承台埋入深度的减少均会显著降低冻土影响下桩基础桥墩的抗震性能,但剪跨比的变化对桥墩变形能力的影响并不明显,而承台埋深的变化对桩-土-桥墩体系的刚度退化曲线无较大影响。

4)轴压比的增大会提高桥墩的水平承载力,但会加速桩基础桥墩峰值荷载的出现,说明轴压比增大会加速冻土影响下的桩基础桥墩的破坏。