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    季節(jié)凍土區(qū)鐵路挖井基礎(chǔ)橋墩地震破壞特征及抗震性能影響因素

    2022-08-01 02:03:40張熙胤于生生王萬(wàn)平丁明波馬華軍
    中國(guó)鐵道科學(xué) 2022年4期
    關(guān)鍵詞:凍土層挖井橋墩

    張熙胤,于生生,王 義,王萬(wàn)平,丁明波,馬華軍

    (蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

    隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)國(guó)家戰(zhàn)略的推進(jìn)和交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展,西北地區(qū)鐵路工程建設(shè)需求將持續(xù)增加,而挖井基礎(chǔ)以其豎向承載能力高、施工方法簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)西北季節(jié)凍土區(qū)鐵路橋梁工程中得到了較多的應(yīng)用[1]。僅以寶雞—中衛(wèi)鐵路為例,該鐵路橋梁中使用挖井基礎(chǔ)達(dá)300多個(gè)[2],蘭武二線鐵路中河口黃河特大橋也有10個(gè)墩臺(tái)采用了挖井基礎(chǔ)[3]。此外挖井基礎(chǔ)在其他地區(qū)的橋梁中也得到了應(yīng)用,例如石太客運(yùn)專線橋梁中有多個(gè)墩臺(tái)采用了挖井基礎(chǔ)[4],新建青島至連云港鐵路ZQ-4 標(biāo)線路段共設(shè)計(jì)采用了134 個(gè)挖井基礎(chǔ)[5],三岔河特大橋是青藏鐵路線上第1 高橋,其中有4個(gè)橋墩也采用了挖井基礎(chǔ)形式[6]。

    近年來(lái)我國(guó)西北季節(jié)凍土地區(qū)地震活動(dòng)愈發(fā)頻繁[7-8],雖然挖井基礎(chǔ)以其良好的豎向承載能力被廣泛應(yīng)用于橋梁工程中,但在地震荷載作用下挖井基礎(chǔ)橋梁的破壞仍普遍存在,特別是1999年我國(guó)臺(tái)灣集集地震中,許多橋梁因挖井基礎(chǔ)位移過(guò)大而發(fā)生落梁破壞,挖井基礎(chǔ)橋墩自身破壞也十分嚴(yán)重[9]。同樣在1989年美國(guó)洛馬普列塔地震、1999年日本神戶大地震以及2015年尼泊爾地震中挖井基礎(chǔ)橋梁均出現(xiàn)過(guò)此類震害[10]。我國(guó)西北季節(jié)凍土地區(qū)大量既有和新建鐵路挖井基礎(chǔ)橋梁在未來(lái)遭遇地震的危險(xiǎn)性和可能性較大,充分認(rèn)識(shí)其抗震性能非常有必要。但目前針對(duì)挖井基礎(chǔ)橋梁抗震性能的研究甚少,考慮季節(jié)凍土效應(yīng)的鐵路挖井基礎(chǔ)橋梁抗震性能研究更不多見(jiàn)。孫學(xué)先[11-12]以黃土地區(qū)挖井基礎(chǔ)為研究對(duì)象,研究了挖井基礎(chǔ)在水平荷載作用下的承載力以及挖井基礎(chǔ)側(cè)壁摩阻力隨水平加載位移的變化規(guī)律。李濤等[2]對(duì)1∶2 比例尺的挖井基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)模型進(jìn)行了水平承載力特性研究,并推導(dǎo)了水平荷載作用下挖井基礎(chǔ)力學(xué)行為的計(jì)算公式。Chiou和Wang等[13-14]對(duì)挖井基礎(chǔ)橋墩進(jìn)行了水平推覆分析,發(fā)現(xiàn)即使在很小的橫向加載位移下,挖井基礎(chǔ)周圍的土體也會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性,并且不同埋深的挖井基礎(chǔ)橋墩地震破壞特征和失效機(jī)理也不盡相同。王玉潔等[15]和嚴(yán)松宏等[16]研究發(fā)現(xiàn),在凍土和非凍土2 種條件下挖井基礎(chǔ)橋墩的地震響應(yīng)有著顯著的差異,在抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮季節(jié)凍土層對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響,但其并未具體分析季節(jié)凍土層對(duì)挖井基礎(chǔ)橋墩地震破壞特征和抗震性能的影響。因此目前已有的鐵路挖井基礎(chǔ)橋梁抗震方面的研究成果并不能完全適用于季節(jié)凍土區(qū)挖井基礎(chǔ)橋墩的抗震設(shè)計(jì)。

    鑒于以上原因,本文以西北地區(qū)廣泛采用的挖井基礎(chǔ)橋墩為研究對(duì)象,運(yùn)用ABAQUS 有限元軟件,建立土-挖井基礎(chǔ)-橋墩相互作用體系有限元模型,并通過(guò)土-挖井基礎(chǔ)-橋墩相互作用擬靜力模型試驗(yàn)驗(yàn)證其正確性和可靠性,通過(guò)有限元模擬研究季節(jié)凍土層厚度、冷暖季過(guò)渡期季節(jié)凍土表層融深、挖井基礎(chǔ)埋深及墩身配筋率等因素對(duì)挖井基礎(chǔ)橋墩地震破壞特征和抗震性能的影響規(guī)律,旨在為季節(jié)凍土區(qū)挖井基礎(chǔ)橋墩的抗震設(shè)計(jì)及性能改善提供參考和依據(jù)。

    1 挖井基礎(chǔ)橋墩擬靜力試驗(yàn)

    1.1 擬靜力模型試驗(yàn)

    以某鐵路挖井基礎(chǔ)橋墩為例,模型縮尺比選為1∶8,模型采用C30混凝土以現(xiàn)澆方式制作。矩形挖井基礎(chǔ)的長(zhǎng)、寬和高分別為880,660和440 mm;橋墩的長(zhǎng)、寬和高分別為560,340 和1 740 mm,縱筋采用6 根直徑12 mm 的HRB335 螺紋鋼筋,配筋率為0.38%,箍筋為直徑8 mm 的HPB235 鋼筋,間距為200 mm。將梁體自重及二期恒載的總和按相似比縮小,施加到模型墩頂?shù)呢Q向力為上部結(jié)構(gòu)自重57 kN,土槽內(nèi)填筑蘭州黃土,試驗(yàn)時(shí)在模型墩頂施加水平低周往復(fù)荷載,采用位移控制模式,在12 mm 位移荷載之前采用2 mm 步長(zhǎng)加載,在15~50 mm 之間采用5 mm 步長(zhǎng)加載。位移加載歷程如圖1所示,加載系統(tǒng)示意圖為圖2所示??紤]到挖井基礎(chǔ)-土相互作用體系縮尺模型尺寸仍然較大,凍融環(huán)境的試驗(yàn)?zāi)M成本較高,因此室內(nèi)擬靜力試驗(yàn)采用融土-挖井基礎(chǔ)橋墩相互作用體系縮尺模型,旨在為建立合理可靠的有限元分析模型提供數(shù)據(jù)支撐。

    圖1 位移加載歷程

    圖2 試驗(yàn)加載系統(tǒng)

    1.2 試驗(yàn)結(jié)果

    試驗(yàn)加載結(jié)束后挖井基礎(chǔ)周圍土體破壞特征如圖3所示,擬靜力試驗(yàn)得到挖井基礎(chǔ)橋墩的荷載-位移曲線如圖4所示。圖4中推為正,拉為負(fù)。

    圖3 試驗(yàn)基礎(chǔ)周圍土體破壞

    圖4 試驗(yàn)荷載-位移曲線

    當(dāng)墩頂加載位移為2 mm 時(shí),土體及橋墩均處于彈性狀態(tài),當(dāng)加載位移增大至4 mm 時(shí),土體表面與基礎(chǔ)之間出現(xiàn)輕微的分離而橋墩仍處于彈性狀態(tài),模型水平承載力增大。隨著加載位移的增大,基礎(chǔ)出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)位移并逐漸增大,基礎(chǔ)與土的分離間隙不斷擴(kuò)展,同時(shí)挖井基礎(chǔ)出現(xiàn)了豎向抬升位移,土體表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的非線性特征,模型承載力增加速率變緩,整體剛度逐漸變小。土體開(kāi)挖完成后觀察發(fā)現(xiàn)挖井基礎(chǔ)與橋墩混凝土均無(wú)裂縫出現(xiàn)。

    2 有限元模型建立及驗(yàn)證

    2.1 有限元模型建立

    運(yùn)用ABAQUS 有限元軟件建立鐵路挖井基礎(chǔ)橋墩有限元模型,為使有限元模型與試驗(yàn)保持一致,有限元模型中挖井基礎(chǔ)橋墩尺寸、土體尺寸及加載條件等均與擬靜力模型試驗(yàn)中保持一致。混凝土和土體均采用三維實(shí)體單元C3D8R,鋼筋采用桁架單元T3D2。挖井基礎(chǔ)與土體法向接觸設(shè)置為“硬接觸”,切向?yàn)槟Σ两佑|,可有效模擬基礎(chǔ)與土體之間的接觸、分離和滑移,有限元模型如圖5所示。混凝土本構(gòu)采用損傷塑性模型(CDP模型)[17];鋼筋本構(gòu)選用雙折線模型;土體本構(gòu)選用Mohr-Coulomb模型[18]。

    圖5 有限元模型

    2.2 擬靜力試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

    圖6為有限元模型在加載完成后的塑性應(yīng)變?cè)茍D,圖7為有限元模型計(jì)算與模型試驗(yàn)得到的力-位移關(guān)系曲線。

    圖6 模型等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

    由圖6可見(jiàn):在整個(gè)加載過(guò)程中挖井基礎(chǔ)橋墩未發(fā)生塑性應(yīng)變,而挖井基礎(chǔ)周圍土體發(fā)生了較大的塑性應(yīng)變,并且挖井基礎(chǔ)與土體產(chǎn)生了分離和滑移(抬升),與試驗(yàn)中模型的破壞現(xiàn)象一致。

    由圖7可見(jiàn):有限元模型計(jì)算得到的滯回曲線及骨架曲線與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,試驗(yàn)曲線的塑性變形和耗能特征均得到了較為真實(shí)的反映。而由于有限元數(shù)值計(jì)算的材料本構(gòu)模型、邊界條件和施加荷載步等較為理想,使有限元分析結(jié)果更趨于理想化,因而造成了數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的力-位移曲線存在偏差。但總體來(lái)說(shuō),該有限元模型可準(zhǔn)確模擬水平低周往復(fù)荷載作用下挖井基礎(chǔ)橋墩的力學(xué)行為,表明該模型可用于后續(xù)季節(jié)凍土區(qū)鐵路挖井基礎(chǔ)橋墩地震破壞特征及抗震性能影響因素分析。

    圖7 力-位移關(guān)系曲線

    3 季節(jié)凍土區(qū)挖井基礎(chǔ)橋墩地震破壞特征及抗震性能影響因素

    基于上述驗(yàn)證過(guò)的有限元模型,充分考慮季節(jié)凍土效應(yīng)對(duì)橋梁挖井基礎(chǔ)橋墩抗震性能的影響,主要包括季節(jié)凍土層厚度、季節(jié)凍土表層融深、挖井基礎(chǔ)埋深和橋墩配筋率等因素。表1給出了不同模型的參數(shù)設(shè)置。其中模型1、模型2 和模型3 主要考慮季節(jié)凍土層厚度的影響;模型3、模型4 和模型5 主要考慮季節(jié)凍土表層融深的影響;模型2、模型6 與模型7 主要考慮挖井基礎(chǔ)埋深的影響;模型6、模型8和模型9主要考慮橋墩配筋率的影響。

    表1 各模型參數(shù)設(shè)置

    表2給出了土體基本參數(shù)。表2中土體參數(shù)均為試驗(yàn)用土的實(shí)測(cè)值,試驗(yàn)儀器為CSY-20型低溫凍土三軸儀。

    表2 土體基本參數(shù)

    3.1 水平往復(fù)荷載作用下不同模型的破壞特征

    通過(guò)與擬靜力試驗(yàn)相同的水平往復(fù)荷載作用于不同模型,研究地震作用下季節(jié)凍土區(qū)挖井基礎(chǔ)-凍土體系的破壞特征,為季節(jié)凍土區(qū)挖井基礎(chǔ)橋梁抗震性能評(píng)估和抗震設(shè)防提供科學(xué)依據(jù)。圖8和圖9分別給出了各模型挖井基礎(chǔ)橋墩和挖井基礎(chǔ)周圍土體的破壞云圖。

    由圖8和圖9可見(jiàn):在非凍土條件下,對(duì)于埋深較淺的挖井基礎(chǔ)橋墩,地震作用下挖井基礎(chǔ)和橋墩基本能夠保持彈性狀態(tài),挖井基礎(chǔ)橋墩自身不會(huì)發(fā)生破壞,破壞主要來(lái)自基礎(chǔ)周圍土體的失效,而當(dāng)冷季土體表面凍結(jié)后,表層凍土對(duì)挖井基礎(chǔ)的側(cè)向約束作用增強(qiáng),地震作用下橋墩底部會(huì)出現(xiàn)塑性區(qū),橋墩會(huì)出現(xiàn)不同程度破壞;埋深較深的挖井基礎(chǔ)橋墩在地震作用下基礎(chǔ)與土之間的相互作用較強(qiáng),基礎(chǔ)的偏轉(zhuǎn)角度和抬升位移減小會(huì)導(dǎo)致橋墩墩底內(nèi)力增加,使挖井基礎(chǔ)周圍土體和橋墩均出現(xiàn)破壞。

    圖8 各模型墩身混凝土等效塑性應(yīng)變分布云圖

    圖9 各模型周圍土體等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

    圖10給出了不同凍土層厚度、不同凍土表層融深、不同挖井基礎(chǔ)埋深和不同橋墩配筋率下挖井基礎(chǔ)側(cè)向土壓力隨水平加載位移的變化曲線。由圖10可以看到:隨著土體凍結(jié)及凍土層厚度的增加,挖井基礎(chǔ)側(cè)向土壓力呈增加趨勢(shì),尤其當(dāng)凍土層厚度達(dá)到0.4 m 時(shí),基礎(chǔ)與土之間的相互作用效應(yīng)明顯增強(qiáng);而當(dāng)表層凍土開(kāi)始融化時(shí),土體強(qiáng)度降低,導(dǎo)致基礎(chǔ)側(cè)壁土體對(duì)挖井基礎(chǔ)的約束效應(yīng)大大降低;隨著挖井基礎(chǔ)埋置深度的增加,基礎(chǔ)側(cè)向土壓力呈上升趨勢(shì),但當(dāng)基礎(chǔ)埋深達(dá)到一定程度時(shí)其影響變小,此外橋墩配筋率幾乎不會(huì)影響基礎(chǔ)與土體之間的相互作用效應(yīng)。

    圖10 基礎(chǔ)側(cè)向土壓力隨水平加載位移的變化曲線

    挖井基礎(chǔ)的豎向抬升大小關(guān)系到橋梁整體結(jié)構(gòu)在地震作用下的穩(wěn)定性。圖11給出了不同凍土層厚度、凍土表層融深、挖井基礎(chǔ)埋深和橋墩配筋率下挖井基礎(chǔ)底部豎向抬升位移隨水平加載位移的變化曲線。

    由圖11可見(jiàn):隨著地表土體的凍結(jié)及凍土層厚度的增加,地基土與基礎(chǔ)相互作用效應(yīng)增強(qiáng),挖井基礎(chǔ)的豎向抬升量變小,凍土層融化后反之;隨著挖井基礎(chǔ)埋置深度的增加,地基土對(duì)挖井基礎(chǔ)的約束作用增強(qiáng),從而使挖井基礎(chǔ)的抬升量明顯減小,例如當(dāng)挖井基礎(chǔ)埋深從0.4 m 分別增加到0.6和0.8 m 時(shí),其豎向抬升量分別減小了約19.3%和63.8%,由此可以看到挖井基礎(chǔ)的埋深對(duì)其地震穩(wěn)定性有著極其重要的影響;隨著橋墩配筋率的增加挖井基礎(chǔ)抬升量呈增加趨勢(shì),但是配筋率對(duì)其抬升影響較小。

    圖11 挖井基礎(chǔ)豎向抬升量隨水平加載位移的變化曲線

    3.2 滯回曲線

    結(jié)構(gòu)在循環(huán)往復(fù)荷載作用下的荷載-位移曲線,稱為滯回曲線。滯回曲線每一環(huán)的面積能夠直觀反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在對(duì)應(yīng)的力或位移下的承載力、變形特征以及耗能能力。為了能夠更加直觀地研究挖井基礎(chǔ)橋墩在水平位移荷載作用下的受力性能,圖12給出了不同凍土層厚度、凍土表層融深、挖井基礎(chǔ)埋深和橋墩配筋率下模型的滯回曲線。

    圖12 不同條件下模型的滯回曲線

    從圖12中可以看到:各模型滯回環(huán)變化規(guī)律基本一致,隨著加載位移的增大,滯回環(huán)的大小和形狀均發(fā)生變化;在加載初期,墩頂荷載與位移基本呈線性關(guān)系,模型處于彈性工作狀態(tài),滯回環(huán)呈弓形;隨著加載位移的增大,基礎(chǔ)周圍土受到擠壓后逐漸進(jìn)入塑性狀態(tài),橋墩混凝土也逐漸開(kāi)裂,在相同的位移增幅下,力的增幅逐漸減小,但是墩頂荷載仍在增加,滯回曲線的面積也在增大,但是剛度出現(xiàn)了退化,此時(shí)滯回環(huán)變得相對(duì)豐滿和柔和,近似呈梭形;隨著加載位移進(jìn)一步加大,墩頂荷載不再加大,滯回環(huán)出現(xiàn)明顯的捏縮效應(yīng),其逐漸變?yōu)榉碨 形甚至Z 形,造成這種現(xiàn)象的主要原因有二,一是基礎(chǔ)周圍土受到擠壓,在基礎(chǔ)與土交界面處開(kāi)始出現(xiàn)分離,殘余變形增大,形成基礎(chǔ)與土脫空現(xiàn)象;二是在加載后期挖井基礎(chǔ)出現(xiàn)了較大的抬升,使模型耗能出現(xiàn)損失。

    3.3 骨架曲線

    骨架曲線是滯回曲線的外包絡(luò)線,通過(guò)將同方向加載的滯回曲線中各級(jí)加載的荷載極值點(diǎn)依次相連而得到。它是每次循環(huán)加載達(dá)到的水平力最大峰值的軌跡,反映了結(jié)構(gòu)受力與變形各個(gè)不同階段的特性,是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能的重要依據(jù)。圖13和表3給出了不同凍土層厚度、凍土表層融深、挖井基礎(chǔ)埋深和橋墩配筋率下土-挖井基礎(chǔ)-橋墩相互作用體系的骨架曲線。

    圖13 不同條件下模型的骨架曲線

    表3 不同條件下模型骨架曲線關(guān)鍵參數(shù)

    由圖13和表3可見(jiàn):地基土條件和基礎(chǔ)埋深對(duì)模型的水平承載能力影響極為顯著,具體表現(xiàn)為土-挖井基礎(chǔ)-橋墩體系的水平承載能力隨著凍土層厚度和基礎(chǔ)埋深的增加而明顯提高,與非凍土條件相比,凍土層厚度為0.2 和0.4 m 時(shí),體系的峰值荷載分別提高了約76%和148%;另外土-挖井基礎(chǔ)-橋墩體系的屈服荷載和屈服位移也呈增大趨勢(shì);季節(jié)凍土表面出現(xiàn)融化層后對(duì)土-挖井基礎(chǔ)-橋墩的水平承載能力極為不利,表現(xiàn)為隨著凍土表層融深的出現(xiàn)及加深,挖井基礎(chǔ)水平承載能力呈下降的趨勢(shì),由于凍土融化后的力學(xué)性質(zhì)與常規(guī)非凍土(未經(jīng)歷凍融作用)不同,其融化后短時(shí)間內(nèi)極易出現(xiàn)流變性,由此導(dǎo)致的地基土軟化將直接降低土-挖井基礎(chǔ)-橋墩體系在水平荷載作用下的承載能力,融深為0.2 和0.4 m 時(shí),體系的峰值荷載分別降低了約44%和70%,因此在對(duì)挖井基礎(chǔ)橋墩進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮土體季節(jié)凍融效應(yīng)的影響;墩身配筋率對(duì)挖井基礎(chǔ)的水平承載能力影響較小,主要是對(duì)于該類埋深較小的挖井基礎(chǔ)橋墩而言,地基土的承載能力是影響土-挖井基礎(chǔ)-橋墩體系水平承載力的主要因素。

    3.4 剛度特性

    圖14給出了不同凍土層厚度、凍土表層融深、挖井基礎(chǔ)埋深和橋墩配筋率下土-挖井基礎(chǔ)-橋墩相互作用體系剛度退化曲線。由圖14可見(jiàn):各模型的剛度退化規(guī)律基本一致,即先快速衰減后趨于平穩(wěn);地基土對(duì)土-挖井基礎(chǔ)-橋墩體系的初始剛度和中后期等效剛度影響最為明顯,具體表現(xiàn)為季節(jié)凍土層的存在可顯著提高土-挖井基礎(chǔ)-橋墩體系的等效剛度,季節(jié)凍土表面融化層的存在則正好相反;隨著挖井基礎(chǔ)埋深的增加,土-挖井基礎(chǔ)-橋墩體系的剛度也會(huì)有很大提高,而土-挖井基礎(chǔ)-橋墩體系的剛度幾乎不受墩身配筋率的影響。

    圖14 不同條件下模型的剛度退化曲線

    3.5 耗能能力

    結(jié)構(gòu)的耗能能力是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能的一個(gè)重要指標(biāo),它以結(jié)構(gòu)的荷載-變形曲線中1 個(gè)完整的滯回環(huán)所包圍的面積衡量,滯回環(huán)包圍的面積越大,則表明結(jié)構(gòu)的耗能能力越好。圖15給出了不同凍土層厚度、凍土表層融深、挖井基礎(chǔ)埋深和橋墩配筋率下土-挖井基礎(chǔ)-橋墩相互作用體系的耗能能力曲線。

    圖15 不同條件下模型的耗能能力曲線

    由圖15可見(jiàn):隨著凍土層厚度和基礎(chǔ)埋深的增加,土-挖井基礎(chǔ)-橋墩體系的耗能能力顯著增強(qiáng),當(dāng)土體凍結(jié)后體系累積耗能比非凍結(jié)條件下分別增加了121%和167%;隨著季節(jié)凍土表層融化深度的增加,模型的耗能能力大幅降低,土體完全融化狀態(tài)時(shí)模型的總耗能僅為基礎(chǔ)深度范圍內(nèi)土體完全凍結(jié)時(shí)的21.4%;而隨著配筋率的增加模型耗能能力逐漸減小,但其變化很小。

    4 結(jié) 論

    (1)建立的挖井基礎(chǔ)橋墩有限元模型計(jì)算值與室內(nèi)擬靜力模型試驗(yàn)值吻合較好,說(shuō)明其能夠有效模擬地震荷載作用下土-挖井基礎(chǔ)-橋墩相互作用體系的力學(xué)行為,計(jì)算結(jié)果表明土層條件和基礎(chǔ)埋深對(duì)挖井基礎(chǔ)橋墩的地震破壞特征和抗震性能有顯著的影響。

    (2)季節(jié)凍土層會(huì)顯著影響埋深較淺的挖井基礎(chǔ)橋墩地震破壞特征:地震作用下非凍土中埋深較淺的挖井基礎(chǔ)橋墩基本能夠保持彈性狀態(tài)而不會(huì)發(fā)生破壞,破壞主要來(lái)自基礎(chǔ)周圍土體的失效,季節(jié)凍土層的存在則對(duì)挖井基礎(chǔ)產(chǎn)生較強(qiáng)的側(cè)向約束作用,使得地震作用下橋墩底部出現(xiàn)塑性變形區(qū),橋墩會(huì)出現(xiàn)不同程度破壞;埋深較深的挖井基礎(chǔ)橋墩在地震作用下由于基礎(chǔ)與土之間的相互作用較強(qiáng),基礎(chǔ)的偏轉(zhuǎn)角度和抬升位移減小會(huì)導(dǎo)致橋墩墩底內(nèi)力增加,使挖井基礎(chǔ)周圍土體和橋墩均出現(xiàn)破壞。

    (3)季節(jié)凍土層的存在不僅可以顯著提高土-挖井基礎(chǔ)-橋墩體系的水平承載能力,而且可有效增強(qiáng)其整體剛度和耗能能力。與非凍結(jié)條件相比,存在0.2 和0.4 m 厚的凍土層時(shí),土-挖井基礎(chǔ)-橋墩體系的峰值荷載分別提高了約76%和148%,累積耗能增加了約121%和167%。此外,隨著表層土體的凍結(jié)及凍結(jié)深度增加,土-挖井基礎(chǔ)-橋墩體系的屈服位移變大,橋墩的破壞程度呈增大趨勢(shì)。

    (4)隨著表層土體融化及融化深度增加,土-挖井基礎(chǔ)-橋墩體系的水平承載力、剛度以及耗能能力顯著降低,結(jié)果表明:當(dāng)表層凍土完全融化時(shí),體系的峰值荷載下降接近70%,累計(jì)耗能僅為0.4 m凍土層厚度時(shí)的21.4%。因此,挖井基礎(chǔ)橋墩抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮土體季節(jié)凍融效應(yīng)的影響。

    (5)在一定范圍內(nèi),增加挖井基礎(chǔ)的埋深可顯著減小基礎(chǔ)的抬升位移,增強(qiáng)基礎(chǔ)與土之間的相互作用,從而有效提高土-挖井基礎(chǔ)-橋墩體系的水平承載能力、整體剛度和耗能能力,但是橋墩的破壞程度也將隨之加重。因此,挖井基礎(chǔ)橋墩抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)合理設(shè)置基礎(chǔ)埋深。

    (6)對(duì)于埋深較小的挖井基礎(chǔ)橋墩而言,其水平承載力主要取決于地基土,增加墩身配筋率并不能明顯提高其承載能力,結(jié)合其他影響因素可以得出:季節(jié)凍土區(qū)挖井基礎(chǔ)橋墩抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮土體季節(jié)凍融效應(yīng)、基礎(chǔ)埋深和橋墩配筋率的影響,保障其在地震荷載作用下的安全和可靠性。

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