季节冻土区铁路挖井基础桥墩地震破坏特征及抗震性能影响因素

张熙胤，于生生，王 义，王万平，丁明波，马华军

（兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070）

随着我国西部大开发国家战略的推进和交通基础设施建设的发展，西北地区铁路工程建设需求将持续增加，而挖井基础以其竖向承载能力高、施工方法简单、造价低廉等优点在我国西北季节冻土区铁路桥梁工程中得到了较多的应用［1］。仅以宝鸡—中卫铁路为例，该铁路桥梁中使用挖井基础达300多个［2］，兰武二线铁路中河口黄河特大桥也有10个墩台采用了挖井基础［3］。此外挖井基础在其他地区的桥梁中也得到了应用，例如石太客运专线桥梁中有多个墩台采用了挖井基础［4］，新建青岛至连云港铁路ZQ-4 标线路段共设计采用了134 个挖井基础［5］，三岔河特大桥是青藏铁路线上第1 高桥，其中有4个桥墩也采用了挖井基础形式［6］。

近年来我国西北季节冻土地区地震活动愈发频繁［7-8］，虽然挖井基础以其良好的竖向承载能力被广泛应用于桥梁工程中，但在地震荷载作用下挖井基础桥梁的破坏仍普遍存在，特别是1999年我国台湾集集地震中，许多桥梁因挖井基础位移过大而发生落梁破坏，挖井基础桥墩自身破坏也十分严重［9］。同样在1989年美国洛马普列塔地震、1999年日本神户大地震以及2015年尼泊尔地震中挖井基础桥梁均出现过此类震害［10］。我国西北季节冻土地区大量既有和新建铁路挖井基础桥梁在未来遭遇地震的危险性和可能性较大，充分认识其抗震性能非常有必要。但目前针对挖井基础桥梁抗震性能的研究甚少，考虑季节冻土效应的铁路挖井基础桥梁抗震性能研究更不多见。孙学先［11-12］以黄土地区挖井基础为研究对象，研究了挖井基础在水平荷载作用下的承载力以及挖井基础侧壁摩阻力随水平加载位移的变化规律。李涛等［2］对1∶2 比例尺的挖井基础现场模型进行了水平承载力特性研究，并推导了水平荷载作用下挖井基础力学行为的计算公式。Chiou和Wang等［13-14］对挖井基础桥墩进行了水平推覆分析，发现即使在很小的横向加载位移下，挖井基础周围的土体也会表现出强烈的非线性，并且不同埋深的挖井基础桥墩地震破坏特征和失效机理也不尽相同。王玉洁等［15］和严松宏等［16］研究发现，在冻土和非冻土2 种条件下挖井基础桥墩的地震响应有着显著的差异，在抗震设计时应该考虑季节冻土层对结构地震响应的影响，但其并未具体分析季节冻土层对挖井基础桥墩地震破坏特征和抗震性能的影响。因此目前已有的铁路挖井基础桥梁抗震方面的研究成果并不能完全适用于季节冻土区挖井基础桥墩的抗震设计。

鉴于以上原因，本文以西北地区广泛采用的挖井基础桥墩为研究对象，运用ABAQUS 有限元软件，建立土-挖井基础-桥墩相互作用体系有限元模型，并通过土-挖井基础-桥墩相互作用拟静力模型试验验证其正确性和可靠性，通过有限元模拟研究季节冻土层厚度、冷暖季过渡期季节冻土表层融深、挖井基础埋深及墩身配筋率等因素对挖井基础桥墩地震破坏特征和抗震性能的影响规律，旨在为季节冻土区挖井基础桥墩的抗震设计及性能改善提供参考和依据。

1 挖井基础桥墩拟静力试验

1.1 拟静力模型试验

以某铁路挖井基础桥墩为例，模型缩尺比选为1∶8，模型采用C30混凝土以现浇方式制作。矩形挖井基础的长、宽和高分别为880，660和440 mm；桥墩的长、宽和高分别为560，340 和1 740 mm，纵筋采用6 根直径12 mm 的HRB335 螺纹钢筋，配筋率为0.38%，箍筋为直径8 mm 的HPB235 钢筋，间距为200 mm。将梁体自重及二期恒载的总和按相似比缩小，施加到模型墩顶的竖向力为上部结构自重57 kN，土槽内填筑兰州黄土，试验时在模型墩顶施加水平低周往复荷载，采用位移控制模式，在12 mm 位移荷载之前采用2 mm 步长加载，在15～50 mm 之间采用5 mm 步长加载。位移加载历程如图1所示，加载系统示意图为图2所示。考虑到挖井基础-土相互作用体系缩尺模型尺寸仍然较大，冻融环境的试验模拟成本较高，因此室内拟静力试验采用融土-挖井基础桥墩相互作用体系缩尺模型，旨在为建立合理可靠的有限元分析模型提供数据支撑。

图1 位移加载历程

图2 试验加载系统

1.2 试验结果

试验加载结束后挖井基础周围土体破坏特征如图3所示，拟静力试验得到挖井基础桥墩的荷载-位移曲线如图4所示。图4中推为正，拉为负。

图3 试验基础周围土体破坏

图4 试验荷载-位移曲线

当墩顶加载位移为2 mm 时，土体及桥墩均处于弹性状态，当加载位移增大至4 mm 时，土体表面与基础之间出现轻微的分离而桥墩仍处于弹性状态，模型水平承载力增大。随着加载位移的增大，基础出现偏转位移并逐渐增大，基础与土的分离间隙不断扩展，同时挖井基础出现了竖向抬升位移，土体表现出了强烈的非线性特征，模型承载力增加速率变缓，整体刚度逐渐变小。土体开挖完成后观察发现挖井基础与桥墩混凝土均无裂缝出现。

2 有限元模型建立及验证

2.1 有限元模型建立

运用ABAQUS 有限元软件建立铁路挖井基础桥墩有限元模型，为使有限元模型与试验保持一致，有限元模型中挖井基础桥墩尺寸、土体尺寸及加载条件等均与拟静力模型试验中保持一致。混凝土和土体均采用三维实体单元C3D8R，钢筋采用桁架单元T3D2。挖井基础与土体法向接触设置为“硬接触”，切向为摩擦接触，可有效模拟基础与土体之间的接触、分离和滑移，有限元模型如图5所示。混凝土本构采用损伤塑性模型（CDP模型）［17］；钢筋本构选用双折线模型；土体本构选用Mohr-Coulomb模型［18］。

图5 有限元模型

2.2 拟静力试验结果与数值模拟结果对比

图6为有限元模型在加载完成后的塑性应变云图，图7为有限元模型计算与模型试验得到的力-位移关系曲线。

图6 模型等效塑性应变云图

由图6可见：在整个加载过程中挖井基础桥墩未发生塑性应变，而挖井基础周围土体发生了较大的塑性应变，并且挖井基础与土体产生了分离和滑移（抬升），与试验中模型的破坏现象一致。

由图7可见：有限元模型计算得到的滞回曲线及骨架曲线与模型试验结果吻合较好，试验曲线的塑性变形和耗能特征均得到了较为真实的反映。而由于有限元数值计算的材料本构模型、边界条件和施加荷载步等较为理想，使有限元分析结果更趋于理想化，因而造成了数值模拟与试验结果的力-位移曲线存在偏差。但总体来说，该有限元模型可准确模拟水平低周往复荷载作用下挖井基础桥墩的力学行为，表明该模型可用于后续季节冻土区铁路挖井基础桥墩地震破坏特征及抗震性能影响因素分析。

图7 力-位移关系曲线

3 季节冻土区挖井基础桥墩地震破坏特征及抗震性能影响因素

基于上述验证过的有限元模型，充分考虑季节冻土效应对桥梁挖井基础桥墩抗震性能的影响，主要包括季节冻土层厚度、季节冻土表层融深、挖井基础埋深和桥墩配筋率等因素。表1给出了不同模型的参数设置。其中模型1、模型2 和模型3 主要考虑季节冻土层厚度的影响；模型3、模型4 和模型5 主要考虑季节冻土表层融深的影响；模型2、模型6 与模型7 主要考虑挖井基础埋深的影响；模型6、模型8和模型9主要考虑桥墩配筋率的影响。

表1 各模型参数设置

表2给出了土体基本参数。表2中土体参数均为试验用土的实测值，试验仪器为CSY-20型低温冻土三轴仪。

表2 土体基本参数

3.1 水平往复荷载作用下不同模型的破坏特征

通过与拟静力试验相同的水平往复荷载作用于不同模型，研究地震作用下季节冻土区挖井基础-冻土体系的破坏特征，为季节冻土区挖井基础桥梁抗震性能评估和抗震设防提供科学依据。图8和图9分别给出了各模型挖井基础桥墩和挖井基础周围土体的破坏云图。

由图8和图9可见：在非冻土条件下，对于埋深较浅的挖井基础桥墩，地震作用下挖井基础和桥墩基本能够保持弹性状态，挖井基础桥墩自身不会发生破坏，破坏主要来自基础周围土体的失效，而当冷季土体表面冻结后，表层冻土对挖井基础的侧向约束作用增强，地震作用下桥墩底部会出现塑性区，桥墩会出现不同程度破坏；埋深较深的挖井基础桥墩在地震作用下基础与土之间的相互作用较强，基础的偏转角度和抬升位移减小会导致桥墩墩底内力增加，使挖井基础周围土体和桥墩均出现破坏。

图8 各模型墩身混凝土等效塑性应变分布云图

图9 各模型周围土体等效塑性应变云图

图10给出了不同冻土层厚度、不同冻土表层融深、不同挖井基础埋深和不同桥墩配筋率下挖井基础侧向土压力随水平加载位移的变化曲线。由图10可以看到：随着土体冻结及冻土层厚度的增加，挖井基础侧向土压力呈增加趋势，尤其当冻土层厚度达到0.4 m 时，基础与土之间的相互作用效应明显增强；而当表层冻土开始融化时，土体强度降低，导致基础侧壁土体对挖井基础的约束效应大大降低；随着挖井基础埋置深度的增加，基础侧向土压力呈上升趋势，但当基础埋深达到一定程度时其影响变小，此外桥墩配筋率几乎不会影响基础与土体之间的相互作用效应。

图10 基础侧向土压力随水平加载位移的变化曲线

挖井基础的竖向抬升大小关系到桥梁整体结构在地震作用下的稳定性。图11给出了不同冻土层厚度、冻土表层融深、挖井基础埋深和桥墩配筋率下挖井基础底部竖向抬升位移随水平加载位移的变化曲线。

由图11可见：随着地表土体的冻结及冻土层厚度的增加，地基土与基础相互作用效应增强，挖井基础的竖向抬升量变小，冻土层融化后反之；随着挖井基础埋置深度的增加，地基土对挖井基础的约束作用增强，从而使挖井基础的抬升量明显减小，例如当挖井基础埋深从0.4 m 分别增加到0.6和0.8 m 时，其竖向抬升量分别减小了约19.3%和63.8%，由此可以看到挖井基础的埋深对其地震稳定性有着极其重要的影响；随着桥墩配筋率的增加挖井基础抬升量呈增加趋势，但是配筋率对其抬升影响较小。

图11 挖井基础竖向抬升量随水平加载位移的变化曲线

3.2 滞回曲线

结构在循环往复荷载作用下的荷载-位移曲线，称为滞回曲线。滞回曲线每一环的面积能够直观反映结构或构件在对应的力或位移下的承载力、变形特征以及耗能能力。为了能够更加直观地研究挖井基础桥墩在水平位移荷载作用下的受力性能，图12给出了不同冻土层厚度、冻土表层融深、挖井基础埋深和桥墩配筋率下模型的滞回曲线。

图12 不同条件下模型的滞回曲线

从图12中可以看到：各模型滞回环变化规律基本一致，随着加载位移的增大，滞回环的大小和形状均发生变化；在加载初期，墩顶荷载与位移基本呈线性关系，模型处于弹性工作状态，滞回环呈弓形；随着加载位移的增大，基础周围土受到挤压后逐渐进入塑性状态，桥墩混凝土也逐渐开裂，在相同的位移增幅下，力的增幅逐渐减小，但是墩顶荷载仍在增加，滞回曲线的面积也在增大，但是刚度出现了退化，此时滞回环变得相对丰满和柔和，近似呈梭形；随着加载位移进一步加大，墩顶荷载不再加大，滞回环出现明显的捏缩效应，其逐渐变为反S 形甚至Z 形，造成这种现象的主要原因有二，一是基础周围土受到挤压，在基础与土交界面处开始出现分离，残余变形增大，形成基础与土脱空现象；二是在加载后期挖井基础出现了较大的抬升，使模型耗能出现损失。

3.3 骨架曲线

骨架曲线是滞回曲线的外包络线，通过将同方向加载的滞回曲线中各级加载的荷载极值点依次相连而得到。它是每次循环加载达到的水平力最大峰值的轨迹，反映了结构受力与变形各个不同阶段的特性，是评价结构抗震性能的重要依据。图13和表3给出了不同冻土层厚度、冻土表层融深、挖井基础埋深和桥墩配筋率下土-挖井基础-桥墩相互作用体系的骨架曲线。

图13 不同条件下模型的骨架曲线

表3 不同条件下模型骨架曲线关键参数

由图13和表3可见：地基土条件和基础埋深对模型的水平承载能力影响极为显著，具体表现为土-挖井基础-桥墩体系的水平承载能力随着冻土层厚度和基础埋深的增加而明显提高，与非冻土条件相比，冻土层厚度为0.2 和0.4 m 时，体系的峰值荷载分别提高了约76%和148%；另外土-挖井基础-桥墩体系的屈服荷载和屈服位移也呈增大趋势；季节冻土表面出现融化层后对土-挖井基础-桥墩的水平承载能力极为不利，表现为随着冻土表层融深的出现及加深，挖井基础水平承载能力呈下降的趋势，由于冻土融化后的力学性质与常规非冻土（未经历冻融作用）不同，其融化后短时间内极易出现流变性，由此导致的地基土软化将直接降低土-挖井基础-桥墩体系在水平荷载作用下的承载能力，融深为0.2 和0.4 m 时，体系的峰值荷载分别降低了约44%和70%，因此在对挖井基础桥墩进行抗震设计时应充分考虑土体季节冻融效应的影响；墩身配筋率对挖井基础的水平承载能力影响较小，主要是对于该类埋深较小的挖井基础桥墩而言，地基土的承载能力是影响土-挖井基础-桥墩体系水平承载力的主要因素。

3.4 刚度特性

图14给出了不同冻土层厚度、冻土表层融深、挖井基础埋深和桥墩配筋率下土-挖井基础-桥墩相互作用体系刚度退化曲线。由图14可见：各模型的刚度退化规律基本一致，即先快速衰减后趋于平稳；地基土对土-挖井基础-桥墩体系的初始刚度和中后期等效刚度影响最为明显，具体表现为季节冻土层的存在可显著提高土-挖井基础-桥墩体系的等效刚度，季节冻土表面融化层的存在则正好相反；随着挖井基础埋深的增加，土-挖井基础-桥墩体系的刚度也会有很大提高，而土-挖井基础-桥墩体系的刚度几乎不受墩身配筋率的影响。

图14 不同条件下模型的刚度退化曲线

3.5 耗能能力

结构的耗能能力是评价结构抗震性能的一个重要指标，它以结构的荷载-变形曲线中1 个完整的滞回环所包围的面积衡量，滞回环包围的面积越大，则表明结构的耗能能力越好。图15给出了不同冻土层厚度、冻土表层融深、挖井基础埋深和桥墩配筋率下土-挖井基础-桥墩相互作用体系的耗能能力曲线。

图15 不同条件下模型的耗能能力曲线

由图15可见：随着冻土层厚度和基础埋深的增加，土-挖井基础-桥墩体系的耗能能力显著增强，当土体冻结后体系累积耗能比非冻结条件下分别增加了121%和167%；随着季节冻土表层融化深度的增加，模型的耗能能力大幅降低，土体完全融化状态时模型的总耗能仅为基础深度范围内土体完全冻结时的21.4%；而随着配筋率的增加模型耗能能力逐渐减小，但其变化很小。

4 结 论

（1）建立的挖井基础桥墩有限元模型计算值与室内拟静力模型试验值吻合较好，说明其能够有效模拟地震荷载作用下土-挖井基础-桥墩相互作用体系的力学行为，计算结果表明土层条件和基础埋深对挖井基础桥墩的地震破坏特征和抗震性能有显著的影响。

（2）季节冻土层会显著影响埋深较浅的挖井基础桥墩地震破坏特征：地震作用下非冻土中埋深较浅的挖井基础桥墩基本能够保持弹性状态而不会发生破坏，破坏主要来自基础周围土体的失效，季节冻土层的存在则对挖井基础产生较强的侧向约束作用，使得地震作用下桥墩底部出现塑性变形区，桥墩会出现不同程度破坏；埋深较深的挖井基础桥墩在地震作用下由于基础与土之间的相互作用较强，基础的偏转角度和抬升位移减小会导致桥墩墩底内力增加，使挖井基础周围土体和桥墩均出现破坏。

（3）季节冻土层的存在不仅可以显著提高土-挖井基础-桥墩体系的水平承载能力，而且可有效增强其整体刚度和耗能能力。与非冻结条件相比，存在0.2 和0.4 m 厚的冻土层时，土-挖井基础-桥墩体系的峰值荷载分别提高了约76%和148%，累积耗能增加了约121%和167%。此外，随着表层土体的冻结及冻结深度增加，土-挖井基础-桥墩体系的屈服位移变大，桥墩的破坏程度呈增大趋势。

（4）随着表层土体融化及融化深度增加，土-挖井基础-桥墩体系的水平承载力、刚度以及耗能能力显著降低，结果表明：当表层冻土完全融化时，体系的峰值荷载下降接近70%，累计耗能仅为0.4 m冻土层厚度时的21.4%。因此，挖井基础桥墩抗震设计时应充分考虑土体季节冻融效应的影响。

（5）在一定范围内，增加挖井基础的埋深可显著减小基础的抬升位移，增强基础与土之间的相互作用，从而有效提高土-挖井基础-桥墩体系的水平承载能力、整体刚度和耗能能力，但是桥墩的破坏程度也将随之加重。因此，挖井基础桥墩抗震设计中应合理设置基础埋深。

（6）对于埋深较小的挖井基础桥墩而言，其水平承载力主要取决于地基土，增加墩身配筋率并不能明显提高其承载能力，结合其他影响因素可以得出：季节冻土区挖井基础桥墩抗震设计中应综合考虑土体季节冻融效应、基础埋深和桥墩配筋率的影响，保障其在地震荷载作用下的安全和可靠性。