第1章绪论
1.1冻土区桥梁桩基础抗震问题
冻土，作为地球冰冻圈的重要组成部分，广泛分布于俄罗斯、加拿大、中国以及美国阿拉斯加等多个地区。冻土主要可划分为多年冻土和季节冻土两大类[1，2]。具体而言，多年冻土覆盖了北半球超过20%的陆地地表面积[3，4]，而季节冻土则广泛分布于北半球多数国家。在中国，冻土的分布尤为广泛，季节冻土和多年冻土的总面积接近我国国土总面积的70%[5]，尤其在我国西部青藏高原等高海拔区域，冻土分布更为集中且面积广阔。近年来，随着我国“西部大开发”和“一带一路”倡议的深入推行，西部地区交通基础设施建设取得了显著进展，尤其是公路与铁路网络实现了快速扩张[6]。以青藏地区为例，青藏公路格尔木—拉萨段(格拉段)全长1147km，其中穿越多年冻土区的路段长达760km[7]；青海共和至玉树高速公路全长634.8km，其中多年冻土区路段亦达227km[8]；青藏铁路格拉段全长1142km，穿越了长达550km的多年冻土区[9]。为了确保工程质量，并尽可能减小施工对周围冻土环境的扰动，冻土区线路工程广泛采用了“以桥代路”的施工措施。以青藏铁路格拉段为例，采用“以桥代路”的里程长达123.3km[10]，占线路总长的10.8%。图1.1.1和图1.1.2分别展示了青藏公路和铁路中具有代表性的桥梁工程实例。
图1.1.1清水河大桥(公路)图1.1.2清水河大桥(铁路)
桩基础，因其良好的承载性能及其在保持冻土热稳定方面的显著优势，已成为多年冻土区桥梁建设中的*选基础形式，并得到了广泛应用[11]。然而，值得注意的是，我国西部地区，特别是以青藏高原为代表的区域，属于地震多发区，该区域地质构造复杂且活跃，地震频发且震级较高[12，13]。结合已有文献[14]和中国地震台网统计数据，1900～2024年，我国及边邻地区发生8.0级及以上地震20次，其中15次集中于我国西部地区。进一步地，通过对1963～2017年我国大陆地区
7.0级以上地震震中的分布进行分析，可以得知我国大陆地区的大地震主要集中分布于西部地区[15]，而青藏高原则是我国西部地震活动*强烈的区域[16]。
近年来，我国西部冻土区发生多次影响较大的地震，其中包括2001年昆仑山的8.1级大地震[17]、2010年的青海玉树7.1级大地震[18]、2021年青海玛多的7.4级地震[19]、2022年的青海门源6.9级地震[20]以及2023年甘肃积石山6.5级地震等。在这些地震中，青海玛多7.4级地震导致野马滩大桥出现严重的倒塌破坏(图1.1.3)[19]，而门源6.9级地震也使兰新高铁硫磺沟大桥发生了较为严重的破坏(图1.1.4)[20]。据统计，我国青藏铁路中的桥梁工程均处于地震烈度7度及以上的区域，且有大量桥梁处于地震烈度高达9度的区域[21]。因此，对于我国西部冻土地区的桥梁工程而言，未来面临地震破坏的风险不容忽视。
图1.1.3玛多地震导致野马滩大桥出现严重倒塌破坏[19]
对于冻土区广泛使用的桥梁桩基础，冻土效应显著增加了地震作用下桩-冻土相互作用的复杂性，导致冻土区桥梁的破坏模式发生改变[22-25]。因此，在桥梁的设计、施工及维护阶段，研究人员必须充分考虑冻土效应对桥梁桩基础地震反应的影响，以确保冻土区桩基础桥梁结构的地震安全。
图1.1.4门源地震使兰新高铁硫磺沟大桥发生破坏[20]
1.2冻土区桥梁桩基础地震反应研究现状
1.冻土动力学特性
冻土的力学特性是影响冻土场地地震反应及桩-冻土相互作用的重要因素。研究表明，围压、加载频率、土体温度和含水率等对冻土动力学参数影响显著[26，27]。赵淑萍等[28]研究发现，冻结粉质黏土和冻结细砂的动弹性模量及阻尼比受土体温度、含水率、加载频率、围压影响的变化趋势基本一致。Ling等[29，30]针对冻结青藏黏土的动弹性模量比、*大动弹性模量、参考应变幅值、骨干*线及其影响因素开展了对比分析研究，结果表明冻土动力学参数的各影响因素之间存在显著的耦合效应。何菲等[31]基于动三轴试验结果提出了考虑土体温度、围压和加载频率中的两项因素耦合变化对冻结砂土阻尼比的影响公式。Wu等[32]研究了围压、含水率和土体温度耦合变化对冻结青藏粉质黏土*大动弹性模量和参考动应变幅值的影响，并提出了这三种因素耦合影响下*大动弹性模量的预测公式，但该公式没有考虑加载频率的影响。本书以西部地区典型的粉质黏土为研究对象，利用冻土滞回*线的不闭合程度、宽窄程度、面积以及骨干*线描述冻结粉质黏土的形态特征，探究了土体温度、含水率、围压和加载频率对冻结粉质黏土滞回*线形态特征、*大动弹性模量、参考动应变幅值以及等效黏滞阻尼系数的影响规律；通过多元回归得到了土体温度、含水率、围压和加载频率对*大动弹性模量、参考动应变幅值以及*小等效黏滞阻尼系数的综合影响公式[27，33]。具体内容将在本书第2章详细介绍。
2.冻土对场地地震反应及地震动特性的影响
场地土层特性不仅显著影响地震波在其中的传播模式，而且对场地中结构的地震反应和震害程度有所影响。此外，场地条件也是进行工程结构抗震设计、地震反应分析以及震后灾害评估的重要依据。根据我国现行的抗震设计规范，场地类型的划分主要依赖于剪切波速和覆盖土层厚度这两项指标，然而对于冻土区特殊的场地条件，尚未形成明确的划分标准和规范化处理。早在20世纪70年代就有学者认为，当发生强震时，表层土体的冻结状态会对该地区的地震动特性产生不可忽视的影响[34]，场地条件的改变导致了地震动特性的变化[35]，从而影响其上各类工程结构的地震反应特征[36]。因此，考虑冻土场地的复杂性与地震发生的随机性，深入研究冻土场地地震动特性及其规律，对指导冻土区结构抗震设计和性能评估工作，具有重要的参考价值[37]。
已有研究主要针对冻土层厚度、地面温度、含冰量等参数对场地地震反应的影响开展。高峰等[5]研究表明，冷季时季节冻土区地表土层冻结后的地面峰值加速度小于暖季时的地面峰值加速度，而当多年冻土层存在时，冷季时的地面峰值加速度小于暖季时的地面峰值加速度。Yang等[38]的研究表明，随着多年冻土层的上限从0m变化到.35m，卓越周期从0.25s增大到0.85s，且其峰值放大系数介于4～5，相同条件对于冷季(地表土层冻结状态)而言其峰值放大系数总是小于1.5，这充分说明冻土场地条件的改变导致了地震动特性的变化。图1.2.1(a)和(b)分别是暖季和冷季时期多年冻土场地的周期与放大系数关系。
图1.2.1多年冻土场地周期与放大系数关系[38]
土体一旦冻结，场地特性将发生改变，土层的力学性质也会发生变化，必然会对场地的地震动效应产生影响。*先，冻土层的存在改变了地震波的传播特性，*显著的是剪切波速的变化。Zarubin等[39]研究了地震波速度与冻土含冰量及温度之间的关系，发现土体冻结后伴随弹性波速急剧变化。另有研究发现，当冻土区温度在0.2～2℃范围波动时，体波波速会展现出显著的动态变化特性[40]。总体上，相较于非冻土区或基于传统经验的预测，冻土中的波速普遍偏高[41]。有学者通过现场钻孔波速测试，并结合已有资料，指出多年冻土场地中纵横波速比的经验参考值可取1.5，说明冻土层的波速传播规律与土层性质、温度条件等多因素相关[42]。吴志坚等[41，43]通过场地波速和地脉动的现场测试发现，青藏铁路沿线多年冻土区土层波速与非冻土区差异明显，并给出了水平和垂直分量卓越频率的变化范围。董连成等[44]通过对青藏铁路沿线典型多年冻土场地进行的地脉动台阵观测，统计了各测点加速度数据记录的水平和竖向*大加速度与平均加速度。Miao等[45]研究了日本北海道季节冻土区地震记录的浅表地震波速，建立了剪切波速变化与累积冻结时长之间的经验模型，可以估算季节冻土对近地表剪切波速的影响。齐吉琳等[46]的研究表明，场地土近地表处的连续冻结层足以提高土层的刚度，从而使场地的脉动卓越频率提高，同时场地刚度的变化也改变了脉动的频谱特性。Wang等[47]的研究表明，场地地震动位移、速度和基频随着多年冻土场地地温的降低而减小，而加速度则随温度降低呈现出先减小后增大的趋势。师黎静等[48]研究了季节冻土场地冻结期和非冻结期的动力学特征参数及地震动差异，结果表明，冻结土层使地脉动水平分量卓越频率增大，对竖向分量卓越频率的影响不明显；冻结土层使地脉动水平、竖向分量峰值减小，并且水平、竖向峰值减小比例无明显差别；冻结土层使场地卓越频率增大，场地放大系数减小。
季节活动层和多年冻土层对场地地震反应的影响有一定差异。严松宏等[49]对青藏铁路沿线多年冻土区场地进行的随机地震反应分析表明，冻土层厚度的增加能够增大场地卓越频率，减小场地地震反应。陈卓识等[50]计算了不同季节冻土场地的地震响应，并研究不同参数对季节冻土区场地地震响应的影响，得到了季节冻土区场地在中等强度地震下的地表反应谱。也有研究结果表明，尽管地表加速度峰值放大系数随活动层厚度增加而增加，然而活动层土体厚度及状态的变化不足以改变场地的固有特性，对场地特征周期影响不明显[51]。多年冻土层的存在会显著改变原地基土的卓越频率，多年冻土场地比未冻土场地的卓越频率更大、范围更广，波速以及横波占比更大。若桥梁结构在抗震设计时未考虑多年冻土对地震动的影响，极有可能因桥梁固有频率与场地卓越频率相近而产生共振现象。马巍等[52]采用等效线性化方法对青藏工程多年冻土区场地地震反应开展了研究，结果表明，随下覆多年冻土层厚度的增加，多年冻土层对中短周期地震动的抑制效应逐渐增强，多年冻土层的抑制效应部分可抵消未冻土层的放大效应，表现为场地对中短周期地震动的放大效应减弱，甚至起到抑制作用，但对中长周期地震动的放大效应逐渐增强，放大效应敏感段周期逐渐增大，地震动特征逐渐接近完全冻结场地。
3.冻土对桥梁桩基础地震反应的影响
由于冻土动力学特性的温度敏感性和冻土场地的特殊性，冻土区桥梁地震反应与非冻土区相比具有显著差异，因此只有在冻土区桥梁抗震设计中考虑了冻土的影响效应，才能够有效保障冻土区桥梁工程的地震安全和稳定运营。Yang等[53]通过长期监测阿拉斯加季节冻土区的一座桩基础桥梁在动力荷载作用下的反应，发现地表土层的季节冻融状态变化对桥梁桩基础动力反应有十分显著的影响，而Sritharan等[54]采用数值方法分析了美国某公路桩柱式桥墩-冻土体系在水平循环荷载作用下的力学特性，也得出了同样的结论。
冻土区桩周土体物理力学特性的变化对桩-土体系的抗震性能具有较大的影响，随着土体温度的降低，桩-冻土体系的水平承载力、初始刚度均呈增大趋势，桩身位移在土体冻结前后变化显著[55]。Wotherspoon等[56，57]通过全尺寸桩基础拟静力试验表明，桩基础的动力特性受周围土体的影响较大，冻土层温度和冻土层厚度对桩基础弯矩、位移具有较大的影响。张熙胤等[58]以青藏铁路桥梁桩基础为例，通过数值模拟方法研究发现冻土地基不同的温度分布对地震作用下桥梁桩基础的位移、剪力和弯矩变化都具有显著的影响；同时通过拟静力试验对比分析了土体冻结与未冻结两种情况下桩基础的破坏特征，发现冻土层的存在能够显著提高桩基础的承载力以及地震作用下的耗能能力[59]。吴志坚等[60]通过数值分析方法研究了青藏铁路典型桥梁桩基础地震反应，结果表明冻土层温度对青藏铁路桥梁桩基础地震稳定性起到关键性作用。Plotnikova等[61]利用阿拉斯加冻土区坎贝尔溪大桥的现场监测资料研究了季节冻融对桥梁固有频率、模态等动力特性的影响，并通过数值分析发现近地表土体的冻结对跨度不同的桥梁振型影响有显著差异，认为有必要对地震活跃区域且存在季节冻土的桥梁进行专门的抗震性能评估。为了比较土体冻结和融化条件下桥梁桩基础地震响应的差异，Xiong等[62]建立了桥墩-桩-土体系的弹
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