冻土的静力学性质和动力学性质与对应的融土相比均存在较大差异(陈敦等,2017; 雷乐乐等,2018),对桥梁结构的地震反应有显著影响(陈兴冲等,2003)。为研究冻土区桥梁桩基础抗震性能,需要开展冻土力学特性试验。三轴压缩试验是一种较完善且常用的测定土体力学特性的试验方法(周永毅等,2022)。通过冻土三轴试验研究冻土力学参数的变化规律,可以为冻土区桥梁桩基础地震模拟的参数确定提供理论依据。

随着全球变暖的加剧,多年冻土层温度的升高成为必然趋势(Lu et al,2017),此外冻土的力学性质与土壤类型、含水率、加载速率、干密度和围压等密切相关(齐吉琳,马巍,2010),学者们以上述因素为变量开展了不同类型的三轴压缩试验,如赵淑萍等(2003)对取自青藏铁路北麓河试验段的两种路基土进行动三轴试验,通过对试验数据进行回归分析,得到冻结粉质黏土、冻结细砂弹性模量和动阻尼与频率之间的对数关系式; 王丽霞等(2005)对采自青藏铁路中的粉质黏土进行低温动、静三轴对比试验,研究表明冻土的内摩擦角和破坏所需的动应力都随振动频率的增大而减小,即随着地震烈度的增大,冻土更易被破坏; 王万平等(2022)对兰州黄土过筛烘干,人工调配不同含水率后进行低温冻土三轴试验,指出以最优含水率为分界点,冻土的黏聚力和内摩擦角呈现先增大后减小的变化趋势。在实际工程中有必要考虑冻土初始含水率与最优含水率的关系,初始含水率低于最优含水率时对桩-冻土体系的稳定性更有利。目前对冻土力学性质影响因素的研究较多考虑的是单因素或双因素的影响。Zhang等(2023)将取自西北寒区的粉质黏土碾碎、烘干后制样,通过低温动三轴试验,综合研究了围压、温度、含水率及加载频率耦合作用下冻结粉质黏土动弹性模量、参考应变幅值和阻尼比的变化规律,并提出预测公式。

在数值模拟中,以土体建模常用的Mohr-Coulomb模型为例,所需的弹性模量、摩擦角、膨胀角、黏聚力、屈服应力、绝对塑性应变等参数均要通过试验获得,所以确保试验数据的准确性对模拟结果有重要意义。由于埋置较深的多年冻土取样不易以及有进行多工况研究的需要,学者们进行冻土三轴压缩试验时较多采用人工降温的重塑土作为试样,但已有研究表明重塑土在初始切线模量、抗剪强度、渗透系数变化、强度衰减等方面均与原状土存在一定差异(王淑云,楼志刚,2000; 顾正维等,2003; 杨雪强等,2013; 王炳忠等,2019)。重塑土的制备工艺一般包括碾碎筛分、配置静置、分层击实、包裹保湿等环节(图3),一些学者通过优化制备工艺或添加外加剂的方法对重塑土进行性质改良(聂良佐,2007; 罗开泰等,2013; 周林康等,2018),但因未以冻土为研究对象,不能证实该方法对冻土具有适用性。开展冻土三轴压缩试验中重塑土试样的优化研究,减小重塑土对试验结果的影响是需要关注的重点方向。

图3 重塑土制备工艺(据Zhang等,2023)
Fig.3 Preparation of the remolded soil(according to Zhang et al,2023)

拟静力试验是以一定的力或位移作为控制值对结构进行低周循环加载,用以模拟地震时结构在往复振动中受力和变形特点的一种试验方式。拟静力试验的加载可以随时停止或调整,便于观测结构的开裂和破坏状态。同时,模型尺寸相对较大,减小了尺寸效应对试验结果的影响。通过试验可以得到结构的滞回曲线、骨架曲线、累计耗能、等效黏滞阻尼比、屈服位移、极限位移、延性系数、刚度退化等信息,以此来分析结构的抗震性能。

拟静力试验是结构抗震试验中应用最广泛的试验方法(杜修力等,2021),在冻土区桥梁桩基础抗震研究领域,学者们也开展了众多的此类试验。Sritharan等(2007)在夏季(23 ℃)和冬季(-10 ℃和-6 ℃)对美国爱荷华州立大学冰碛试验场的3个桩基础桥柱施加循环侧向荷载,并建立考虑温度变化对桩-土-结构相互作用影响的有限元模型。模拟的桩身最大弯矩位置与试验基本一致,验证了模型的正确性。随后开展了温度为-1 ℃、-7 ℃、-20 ℃和10 ℃的模拟,结果显示季节性冻土层的存在增大了体系的有效刚度,但使塑性区长度减少,导致结构由延性破坏转变为脆性破坏,这与抗震延性设计方法相违背且给震后修复增加了难度。基于此,Yang等(2023)考虑采用一种对温度不敏感的复合材料代替桩周土,来降低土体季节性冻融对桩基础抗震性能的不利影响。通过对3个1:12的混凝土桩进行土体未冻结、冻结和局部置换并冻结3种工况下的拟静力试验,发现土体冻结时桩发生了脆性破坏,证实了季节性冻土对桩基础抗震的不利影响,土体局部置换并冻结时桩的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、弯矩分布、割线刚度等与土体未冻结时基本一致,表明局部替换方法可以有效降低土体季节性冻融对桩基础的不利影响。现行抗震设计中较少考虑季节性冻土区温度变化的影响。Wotherspoon等(2010a,b)对季节性冻土区的两个室外桩基础进行循环横向加载,根据试验结果建立了考虑季节性冻土区的桩基础桥梁地震反应分析模型。在对模型进行25、72、500和2 500 a重现期的地震波加载时发现,夏季模型和冬季模型最大弯矩的变化规律存在明显差异。对于季节性冻土区的桩基础桥梁,在进行基于性能的抗震设计和多级设防水准条件下,只有考虑季节性冻融的影响才能得到合理的抗震性能评价指标。Li和Yang(2017)通过对室外试验场地的钢管混凝土桩施加循环的静态侧向荷载开展地震作用下的冻土侧阻力研究,根据桩身弯矩和挠度数据提出了冻结粉土的p-y曲线,采用曲线对试桩进行建模的结果与试验结果吻合较好,可以为冻结粉土p-y曲线的参数选取提供参考。张熙胤等(2022b,c)、Guan等(2022)和Zhang等(2021,2022a,b)以青藏铁路沿线典型桩基础桥梁为依托,设计制作了1:8缩尺的高承台桩基础桥墩模型,将与制冷循环机相连的冷却管预先埋设在土体内部,并在土体四周铺设保温棉,从而实现了土体的冻结与保温(图4)。在此基础上开展了非冻土、季节性冻土和多年冻土环境下的拟静力试验,并建立了冻土-高承台桩基础有限元模型,模型所用冻土力学参数取自三轴试验(王万平等,2022)。于生生等(2022)将模拟所得的骨架曲线与试验数据进行对比,拟合情况较好,验证了模型的合理性(图5)。并基于有限元模型,系统分析了季节冻土层厚度、季节冻土表层融深、桩长、桩径、桩自由端长度、墩顶荷载以及桩基配筋率等因素对冻土区桥梁桩基础抗震性能的影响规律,研究结果可以为冻土区桥梁桩基础抗震设计提供参考。

图4 冻土区桥梁桩基础拟静力试验布置图(据张熙胤,2020b)
Fig.4 Pseudo-static test layout of the bridge pile foundation in frozen soil area(according to Zhang,2020b)

图5 有限元分析与拟静力试验的结果对比(据于生生等,2022)
Fig.5 Comparison of the results from the finiteelement analysis and pseudo-static test(according to Yu et al,2022)

拟静力试验的缺点是用静力模拟地震对工程结构的作用,不能反映应变速率的影响,Fei等(2018)提出了用修正的von Mises模型来模拟应变速率、温度和干密度对冻结粉土力学性质的影响,利用季节性冻土层中的两根大型钢套管混凝土桩在水平荷载作用下的现场试验数据对有限元模型进行了校准,为冻土区桥梁桩基础拟静力试验的完善提供了参考。此外,地震对结构的作用为三维作用,而目前开展的冻土区桥梁桩基础拟静力试验较少考虑地震的多向耦合效应,不能反映桥梁桩基础在地震作用下的真实响应,试验结果高估了结构的抗震性能(邱法维等,2001; 夏樟华等,2012)。李宏男等(2013)研究表明只要采用合理的荷载分布形式和加载制度,拟静力试验也能较好地再现结构在地震中的破坏状态,因此开展多维加载试验并研究合理的加载规则可以成为冻土区拟静力试验的研究方向。

地震模拟振动台试验通过振动台台面对结构输入地面运动,模拟地震波对结构的作用,能真实再现结构开裂至破坏的全过程,是在实验室中研究地震反应和破坏机理、检验结构抗震性能最直接的方法(王燕华,2018)。1994年美国北岭地震和1995年日本阪神地震后,许多国家和地区强烈地意识到强震观测的重要性,纷纷提高强震观测台网布设密度,扩大台网覆盖面积(周雍年,2001),因而记录到大量真实的地震波数据,可供振动台试验加载时使用,推动了振动台试验的发展。较为经典的有EL-Centro波、Northridge波、Taft波和汶川波等。与房屋或高层建筑的振动台试验不同,开展冻土区桥梁桩基础振动台试验,首先需要一个能承装地基土和桩体模型的容器,但是有限尺寸的容器会导致地震波在边界处发生反射,对试验结果产生影响,即“模型箱效应”。常见的试验土箱有刚性土箱,圆柱形柔性土箱和层状剪切模型箱3种。层状剪切模型箱能较好地模拟土体的剪切变形,同时由于其是刚性框架结构,也能对土体提供侧向约束,阻止土体向外膨胀,因而在桩-土动力作用试验中被广泛使用(陈之毅,李月阳,2015)。图6为兰州交通大学单向电液伺服驱动式3 m×3 m地震模拟振动台及层状剪切模型箱。

图6 地震模拟振动台(3 m×3 m)与层状剪切模型箱(据张熙胤等,2022a)
Fig.6 Seismic simulation shaking table(3 m×3 m)and laminar shear model box(according to Zhang et al,2022a)

吴志坚等(2009)以多年冻土区青藏铁路清水河特大桥的桩基础为研究对象,开展了1:100的缩尺振动台试验。在模型箱四周内衬绝热保温材料,使用低温酒精进行恒温冷浴循环对土体进行降温,模拟多年冻土环境,模型桩使用水泥与砂按1:3的比例制备,强度为C30。试验结果表明地震荷载会导致桩周土体产生升温效应,使多年冻土强度下降,地基承载力减小。吴志坚等(2010,2003)和Che等(2014)根据试验结果建立清水河特大桥桩基础有限元模型,进一步研究地震动作用下冻土升温效应对桩基础的影响,土体参数取自低温动三轴试验。模拟结果表明,温度升高会对冻土-桩体系的地震响应产生显著影响,增大桩与土体的滑移和脱离,对桩基础的稳定性产生不利影响。杨润林等(2014a,b)用水泥砂浆层模拟季节性冻土,用长1.4 m、直径5 cm、壁厚为0.18 cm的Q235空心钢管桩模拟桥梁桩基础,开展了振动台试验,研究地震激励下冻土、液化砂土与桩之间的相互作用。结果表明,地基液化前,季节性冻土层为桩基提供了一定的侧向约束,从而提高了桩基的承载力; 液化发生后冻土层使地基液化趋势增强,导致桩基承载力下降。1964年美国阿拉斯加M_W9.2特大地震中液化土层上覆冻土的侧向扩展诱发了广泛的桥梁基础破坏,Yang等(2012,2018)以此为研究对象开展振动台试验,试验结果揭示出冻土中桩的破坏机制与桩承台连接处相似,冻土层在液化导致的地面侧向扩展中充当了天然承台的作用,约束了桩头的转动。该研究为有限元模型的校准提供了数据,有助于深入了解液化引起的侧向扩展作用下冻土层对桩基抗震性能的影响。Chen等(2012)对一根长406 mm、直径6 mm的钢管混凝土桩进行了自由水平振动试验,提出可以采用自由衰减响应信号来监测桩-冻土相互作用的响应情况。冻土区尤其是多年冻土区的桩基础一般埋置较深,检测难度较大,该研究对估算多年冻土区桩基础的完整性和刚度有重要意义。

模型混凝土和原型结构材料属性的相似程度对地震模拟振动台试验至关重要,由于台面尺寸和承载能力的限制,以及对模型土体负温的精度控制,冻土区地震模拟振动台试验的模型比例一般较小,而混凝土结构的小比例强度模型,其材料的完全相似难以得到满足。一些学者使用金属材料来模拟桩体,这种方法可以模拟弹性状态,但很难再现钢筋混凝土的非弹性损伤行为。微粒混凝土是一种由小粒径骨料、水泥和水按一定比例组成的新型人工材料。20世纪90年代后,我国学者逐步开展微粒混凝土的相关研究(鞠杨等,1994; 杨政等,2002; 沈朝勇等,2005),结果表明,可以通过合理的级配和选材获得满足原型混凝土抗压强度、弹性模量、表观密度等相似要求的微粒混凝土(沈德建,吕西林,2010; 李绿宇,国巍,2016; 刘畅等,2021)。为提高试验结果的准确性,可以在冻土区桩基础振动台试验中考虑采用满足冻土区桩基础材料相似性的微粒混凝土替代常规混凝土材料。

地震对结构的破坏一般从薄弱环节开始,这些部位在地震作用下的力学行为通常伴随着大变形和强非线性,需要通过试验才能理解和把握。结构其余部分损伤程度较低,用数值模拟方法计算也有较高的精度。这种将真实的物理加载试验和有限元数值模拟耦合使用的试验方法称为子结构试验,试验部分为试验子结构,模拟部分为计算子结构。

桩-土相互作用一直是桥梁抗震研究中的重点,由于土体的非线性,完全拟合实际情况求出精确解是非常困难的,通常选择建立简化模型模拟桩-土相互作用效应。但是因为冻土受温度和水热效应的影响,现有桩-土相互作用计算模型无法有效应用于冻土领域(王万平等,2020),给冻土区桥梁桩基础的抗震分析带来困难。子结构试验为解决此问题提供了思路,将桩基础作为试验子结构,加载位移由桩-冻土结构整体动力方程计算,土体的非线性特征被包含在测量的恢复力之中。数值子结构计算的精确性是试验成功的关键,美国伊利诺斯州立大学研发的UI-SinCor系统、加州伯克利分校提出的OpenFresco系统、湖南大学建设的网格化结构实验室NetSLab、中国台湾地区工程研究中心搭建的混合试验平台等(王涛,潘鹏,2018)均在不同程度上提高了数值子结构计算的精确性,使开展子结构试验弥补桩-冻土相互作用计算模型的不足成为可能。

受试验设备尺寸的限制,传统振动台试验中将土和结构同时作为试验对象的整体分析法难以适用于长大型桥梁,李振宝等(2011)将土模型作为计算子结构,桥梁作为试验子结构,提出了一种考虑土-结构相互作用的多维多点地震模拟振动台试验方法。郭珺等(2017)对一座多跨连续刚构桥梁进行考虑土-结构相互作用的抗震性能研究,1:25缩尺后模型总长仍有14 m,试验设备无法满足研究要求。将桥墩基础与土体作为数值子结构,将桥梁自身作为试验子结构完成了现有设备条件下考虑土-结构相互作用影响的振动台试验。针对传统振动台试验只能完成小尺寸储罐模型试验的问题,Xu等(2020)提出了一种考虑土-结构相互作用的振动台子结构试验方法用以研究大型储罐的抗震性能,通过理论分析和试验结果验证了该方法的可行性,该方法可以为桥梁等大型结构的振动台试验提供参考。综上所述,考虑到室内试验中桥梁桩基础-冻土相互作用体系的实施难度较大,子结构试验方法可以成为今后冻土区桥梁桩基础抗震试验的重点关注方向,对推动冻土区桥梁桩基础抗震研究有重要价值。