鄭海忠 嚴(yán)武建② 石玉成② 盧育霞② 王 平② 李福秀

（①中國(guó)地震局蘭州地震研究所，中國(guó)地震局（甘肅?。S土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000，中國(guó)）

（②甘肅省巖土防災(zāi)工程技術(shù)研究中心，蘭州730000，中國(guó)）

0 引 言

鐵路是國(guó)家的基礎(chǔ)工程和設(shè)施，特別是近年來(lái)高速鐵路的發(fā)展，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展有著重要作用。由于列車(chē)運(yùn)行速度的大幅度提高以及列車(chē)運(yùn)載重量的增加，使得列車(chē)振動(dòng)問(wèn)題和基礎(chǔ)場(chǎng)地動(dòng)力學(xué)問(wèn)題日益突出，以至于影響列車(chē)的正常和安全運(yùn)行（翟婉明等，2016）。然而在季節(jié)性凍土區(qū)，由于鐵路路基、橋梁、橋墩等在冬季會(huì)發(fā)生凍脹，而在暖季又會(huì)發(fā)生收縮，經(jīng)常受到這種凍融循環(huán)的作用，使得在這些地區(qū)列車(chē)與周?chē)h(huán)境的矛盾更加嚴(yán)重。

對(duì)列車(chē)荷載作用下，鐵路路基土體的動(dòng)力響應(yīng)和累計(jì)沉降的研究主要集中在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)值模擬。在列車(chē)荷載作用下，列車(chē)及基礎(chǔ)場(chǎng)地振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究主要集中在秦—沈鐵路、滬寧城際高速鐵路、鄭西高速鐵路以及青藏鐵路等沿線，測(cè)試結(jié)果都表明列車(chē)引起的地面振動(dòng)隨距離的增加而衰減，且在距線路一定范圍內(nèi)有一個(gè)振動(dòng)放大區(qū)（高廣運(yùn)等，2007；馬利衡等，2014；張光明，2014；吳志堅(jiān)等，2011；董連成等，2018）。夏禾等（2004）對(duì)鐵路橋梁以及附近地面和建筑物的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究，發(fā)現(xiàn)地面和建筑物的振動(dòng)隨著列車(chē)速度的增加而增加，距離線路越遠(yuǎn)地面和建筑物的振動(dòng)越小。陳果元等（2010a，2010b）對(duì)鐵路沿線橋路和路涵等特殊路線進(jìn)行了地面振動(dòng)和沉降實(shí)測(cè)和分析，得出級(jí)配碎石能夠有效地減輕地面沉降。對(duì)實(shí)驗(yàn)分析主要有定點(diǎn)加載、移動(dòng)加載等實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停╕oshitsugu et al.，2005；Liu et al.，2016），此外對(duì)地鐵也建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停P(guān)振長(zhǎng)等，2017；許晨等，2018；楊文波，2019）。瞿帥等（2017）通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下軟土的變形特性，并提出了相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。數(shù)值模型主要有車(chē)輛－軌道耦合有限單元模型（翟婉明，2007；翟婉明等，2012）和2.5維有限元模型（邊學(xué)成等，2008a；Bian et al.，2010）。申權(quán)等（2017）利用FLAC3D建立了路塹基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型，分析了道砟和新型排水結(jié)構(gòu)層對(duì)列車(chē)振動(dòng)傳播的影響。對(duì)列車(chē)荷載作用下，鐵路路基土體累積永久變形的研究主要有：Monismith et al.（1975）提出了指數(shù)形式的土體永久變形的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型?jiǎn)單，應(yīng)用最為廣泛。Li et al.（1996）考慮土體的強(qiáng)度參數(shù)和在交通荷載作用下土體的動(dòng)應(yīng)力分布，提出了路基土體永久沉降模型。邊學(xué)成等（2008a）利用2.5維有限元模型，計(jì)算了列車(chē)荷載下土體動(dòng)力響應(yīng)，同時(shí)，又根據(jù)在循環(huán)三軸試驗(yàn)土體的變形結(jié)果建立了交通荷載作用下土體的永久變形模型（邊學(xué)成等，2008b）。高廣運(yùn)等（2015）利用半無(wú)限空間Mindlin解，同時(shí)結(jié)合玻爾茲曼線性疊加等原理，提出了列車(chē)運(yùn)行引起的長(zhǎng)期沉降模型。

由于我國(guó)地形地貌非常復(fù)雜，因此鐵路沿線不僅有路基還分布著大量的橋梁和隧道。但目前的研究大多都針對(duì)鐵路路基的動(dòng)力響應(yīng)和沉降特性的分析，且這些研究主要集中在飽和軟土地區(qū)。對(duì)鐵路橋梁段土體的動(dòng)力響應(yīng)和沉降變形研究較少。特別是季節(jié)性凍土區(qū)，由于長(zhǎng)期的凍融循環(huán)作用使得鐵路沿線場(chǎng)地發(fā)生更加嚴(yán)重的沉降和變形，影響路基、橋梁和隧道等的穩(wěn)定性，進(jìn)一步影響列車(chē)的正常和安全運(yùn)行。同時(shí)，大多數(shù)研究都集中在同一基礎(chǔ)場(chǎng)地，未考慮不同場(chǎng)地和不同地形地貌對(duì)振動(dòng)傳播的影響，然而，不同場(chǎng)地和不同地形地貌的振動(dòng)效應(yīng)明顯不同。哈大高速鐵路是我國(guó)目前在最北端季節(jié)性凍土區(qū)建設(shè)的一條標(biāo)準(zhǔn)最高的鐵路，鐵路全長(zhǎng)921 km，運(yùn)行速度為350 km·h－1。因此，本文選取哈大高鐵鐵嶺—四平段某橋墩及周?chē)煌A(chǔ)場(chǎng)地為研究對(duì)象，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，獲得了橋墩和基礎(chǔ)場(chǎng)地的加速度時(shí)程曲線，并分析橋墩和基礎(chǔ)場(chǎng)地的振動(dòng)特性。該橋墩左側(cè)為地面，右側(cè)為高出地面1.8 m的堆積填土，這不僅考慮了不同場(chǎng)地同時(shí)也考慮了凸起地形對(duì)振動(dòng)傳播的影響。同時(shí)，建立對(duì)應(yīng)的有限元模型，將實(shí)測(cè)橋墩頂端墊石的加速度時(shí)程曲線作為動(dòng)力計(jì)算的邊界條件，分析橋墩和基礎(chǔ)場(chǎng)地在不同季節(jié)振動(dòng)衰減特征和動(dòng)應(yīng)力分布情況，并利用土體累積永久變形模型，對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)橋墩－基礎(chǔ)場(chǎng)地在重復(fù)列車(chē)荷載作用下的永久變形進(jìn)行分析。開(kāi)展季節(jié)性凍土區(qū)在重復(fù)高速列車(chē)荷載作用下，橋墩－基礎(chǔ)場(chǎng)地的振動(dòng)衰減和沉降特性，對(duì)于我國(guó)寒區(qū)鐵路工程穩(wěn)定性和安全性預(yù)測(cè)以及新建鐵路工程設(shè)計(jì)有著重要的科學(xué)意義。

1 現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試

1.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試基本概況

哈大高速鐵路位于東北季節(jié)性凍土區(qū)，土體每年從10月底開(kāi)始凍結(jié)，最大凍結(jié)深度能達(dá)到2 m左右，土體處于凍結(jié)狀態(tài)的時(shí)間可達(dá)半年之多，該地區(qū)大部分土質(zhì)屬于凍脹敏感性土（艾強(qiáng)，2014）。這為鐵路路基、橋墩和基礎(chǔ)場(chǎng)地等病害的產(chǎn)生提供了條件，有可能影響列車(chē)的正常和安全運(yùn)行。

如圖1所示，在橋墩和基礎(chǔ)場(chǎng)地布置了不同的測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1布置在橋墩左側(cè)的基礎(chǔ)場(chǎng)地上，測(cè)點(diǎn)4布置在橋墩右側(cè)的堆積填土上，測(cè)點(diǎn)1距離橋墩0.5 m，測(cè) 點(diǎn)4距 離 橋 墩0.1 m，兩 者 高 度 相 差1.8 m，測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3布置在橋墩頂端的支撐墊石上，其測(cè)點(diǎn)的布置如圖1所示。并于10月份土體未凍結(jié)之前，采用中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所研制的891－Ⅱ型測(cè)振儀記錄不同測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程，規(guī)定列車(chē)運(yùn)行方向?yàn)閄方向，垂直列車(chē)運(yùn)行方向?yàn)閅方向，豎直向?yàn)閆方向。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout of site observation points

鐵路沿線場(chǎng)地沉降、變形等主要是由列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生的豎直振動(dòng)引起的，因此本文主要研究列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，橋墩和基礎(chǔ)場(chǎng)地豎向的振動(dòng)特征。以CRH2C型列車(chē)通過(guò)時(shí)記錄到的加速度時(shí)程為例，列車(chē)的運(yùn)行速度為262 km·h－1，車(chē)廂編組為8節(jié)。4個(gè)測(cè)點(diǎn)的Z方向加速度時(shí)程曲線如圖2所示。從圖中可以看出，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間基本一致，大約為3 s左右；振動(dòng)加速度單峰值具有明顯的周期性（圖2c），這是由于每節(jié)車(chē)廂的輪經(jīng)過(guò)該測(cè)試斷面所引起的；位于橋墩頂端支撐墊石上的測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3的加速度時(shí)程曲線正負(fù)有很好的對(duì)稱性，正向和負(fù)向的加速度峰值基本相等，而位于基礎(chǔ)場(chǎng)地的測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)4明顯不具有對(duì)稱性，且正負(fù)向加速度峰值相差很大。測(cè)點(diǎn)1～4的Z方向的峰值加速度分別 為：33.5 cm·s－2、23.1 cm·s－2、24.5 cm·s－2和64.6 cm·s－2?？梢钥闯鰳蚨枕敹酥螇|石上測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3的加速度峰值基本相同，峰值加速度相差不大，基礎(chǔ)場(chǎng)地的振動(dòng)加速度峰值明顯大于橋墩頂端支撐墊石的振動(dòng)加速度峰值。顯然，基礎(chǔ)場(chǎng)地對(duì)振動(dòng)存在著明顯的放大作用，同時(shí)由于測(cè)點(diǎn)4位于堆積填土上，且距離橋墩較近，使得振動(dòng)放大效應(yīng)更加明顯。

為了進(jìn)一步分析橋墩和周?chē)煌A(chǔ)場(chǎng)地振動(dòng)的振動(dòng)特性，對(duì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線進(jìn)行能量譜分析（圖3）。能量譜分析表明，橋墩和基礎(chǔ)場(chǎng)地4個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)能量都集中在30～70 Hz，測(cè)點(diǎn)1～3的主頻在40 Hz左右，而測(cè)點(diǎn)4的主頻在70 Hz左右；測(cè)點(diǎn)4的能量譜峰值明顯小于其他測(cè)點(diǎn)，且譜中單峰值的個(gè)數(shù)多于其他測(cè)點(diǎn)，說(shuō)明其振動(dòng)能量分布較分散，可以看出基礎(chǔ)場(chǎng)地對(duì)振動(dòng)的影響較大。產(chǎn)生這種差異的主要原因是測(cè)點(diǎn)4位于填土上，土體較軟且振動(dòng)波會(huì)在堆積填土的各個(gè)邊界上出現(xiàn)折射和反射現(xiàn)象，使得測(cè)點(diǎn)4的振動(dòng)成分向高頻移動(dòng)，且出現(xiàn)多個(gè)峰值。

2 橋墩及基礎(chǔ)場(chǎng)地動(dòng)力響應(yīng)分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

圖2 不同測(cè)點(diǎn)的Z方向加速度時(shí)程曲線Fig.2 Acceleration time history curve of Z-direction at different measuring points

圖3 不同測(cè)點(diǎn)的能量譜曲線Fig.3 Spectrum curves of different measuring points

為研究在列車(chē)荷載作用下季節(jié)性凍土區(qū)橋墩和基礎(chǔ)場(chǎng)地的動(dòng)力響應(yīng)和沉降特性，以哈大高速鐵路鐵嶺至四平段某橋墩及基礎(chǔ)場(chǎng)地為研究對(duì)象，利用ABAQUS建立簡(jiǎn)化的二維有限元數(shù)值計(jì)算模型（圖4）。模型主要分為兩部分，第1部分為土體，土體從下到上依次為9 m厚的黏土，13 m厚的粉質(zhì)黏土和2 m厚的黃色粉質(zhì)黏土；第2部分為橋墩，橋墩高為10.5 m，有2 m埋入土體中，截面長(zhǎng)度為4 m，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，3根樁，樁長(zhǎng)為8 m，截面直徑為1 m。橋墩和土體采用平面應(yīng)變CPE4R單元，為了防止邊界對(duì)波的反射作用，模型左右兩邊邊界采用無(wú)限單元，模型底部完全固定，橋墩頂端將實(shí)際測(cè)點(diǎn)2的Z方向加速度時(shí)程作為加速度邊界。在橋墩兩側(cè)，土體單元網(wǎng)格劃分較密集，尺寸為0.5 m，模型中最大網(wǎng)格尺寸為1×1 m。由于土體劃分的有限元網(wǎng)格尺寸與土體的剪切波速和圓頻率有關(guān)，不允許大于2π·Vs／（14×ω）＝Vs／14f，式中，Vs為土體剪切波速；f為其頻率，填土和剪切波速在90～270 m·s－1之間，黏性土在100～450 m·s－1之間（魏鵬勃，2009），f＝1.34 Hz，經(jīng)計(jì)算有限元網(wǎng)格的尺寸不能夠大于4.2 m，所以單元網(wǎng)格尺寸1 m滿足要求。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型和測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Numerical model and layout of site observation points

2.2 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

根據(jù)哈大高鐵地質(zhì)勘查報(bào)告和哈大高鐵沿線季節(jié)性凍土區(qū)的研究可知，哈大高鐵沿線的最大凍結(jié)深度在93～205 cm之間，不同土層在凍結(jié)狀態(tài)和非凍結(jié)時(shí)的力學(xué)參數(shù)如表1所示。在模型計(jì)算時(shí)，假設(shè)土體的材料為理想彈塑性，其破壞準(zhǔn)則為莫爾－庫(kù)侖準(zhǔn)則，橋墩和樁基礎(chǔ)采用C30混凝土，假設(shè)橋墩和樁基礎(chǔ)為理想彈性材料，考慮到鋼筋的作用，將其力學(xué)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶岣?，取其彈性模型?5 GPa，泊松比為0.2，密度為3000 kg·m－3。

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

為了分析振動(dòng)的傳播特征及不同位置的沉降特性，在數(shù)值計(jì)算模型的不同位置布置測(cè)點(diǎn)（圖4），測(cè)點(diǎn)1～6與橋墩底端的距離R分別為0im、0.5 m、1 m、2 m、3 m和4 m。同時(shí)，在凍結(jié)季該測(cè)區(qū)凍結(jié)深度最大為2 m，在數(shù)值計(jì)算時(shí)，假設(shè)黃色粉質(zhì)黏土處于完全凍結(jié)狀態(tài)，其力學(xué)參數(shù)如表1所示。在模型計(jì)算時(shí)，首先進(jìn)行模型自重計(jì)算，將得到的自重應(yīng)力作為初始條件實(shí)加在模型上，然后再進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算。

2.3.1 振動(dòng)傳播特征

圖5為土體凍結(jié)對(duì)振動(dòng)傳播的影響。從圖中可以看出，在距橋墩0.5 m處，在非凍結(jié)季加速度峰值為33.8 cm·s－2，與實(shí)際測(cè)試的結(jié)果一致，說(shuō)明所建數(shù)值模型能夠反映出實(shí)際情況。

圖5 加速度峰值衰減曲線Fig.5 Acceleration peak attenuation curve

無(wú)論土體是否凍結(jié)，距離橋墩底端越近，橋墩和土體的相互作用越強(qiáng)，加速度峰值越大，振動(dòng)放大效應(yīng)越明顯，且隨著距離的增加，峰值加速度越來(lái)越小。在距橋墩底端距離R為0～1 m，峰值加速度衰減速度最快，當(dāng)R大于2 m時(shí)隨著距離的增加，衰減速度越來(lái)越小。而在凍結(jié)季加速度峰值衰減速度明顯要小于非凍結(jié)季，在相同測(cè)點(diǎn)凍結(jié)季的加速度峰值要大于非凍結(jié)季的，這主要是在凍結(jié)季土體彈性模量增大，使得振動(dòng)波的傳播速度快，能量衰減較緩慢，且上部土體處于凍結(jié)狀態(tài)，而下部土體未凍結(jié)，形成了明顯的分界面，使得振動(dòng)波在分界面處發(fā)生折射和反射現(xiàn)象。

表1 測(cè)試區(qū)土體的物理力學(xué)參數(shù)（王超，2014）Table 1 Physical and mechanical parameters of the soil in the test area

2.3.2 基礎(chǔ)場(chǎng)地應(yīng)力分布特性

根據(jù)Monismith et al.（1975）和Li et al.（1996）的研究可知，列車(chē)荷載作用下引起土體的沉降變形的主要影響因素為動(dòng)偏應(yīng)力（qd）。動(dòng)偏應(yīng)力qd的計(jì)算公式為：

式中：J2為應(yīng)力第二不變量。

由于本文所建模型為平面應(yīng)變問(wèn)題，τzx＝τzy＝0，所以，偏應(yīng)力qd為：

式中：σx，σy，σz，τxy，τzx，τzy為應(yīng)力分量。

圖6為非凍結(jié)季和凍結(jié)季距橋墩不同位置處動(dòng)偏應(yīng)力與深度的關(guān)系。從圖中可以看出，在非凍結(jié)季，距橋墩底端R＝0im的測(cè)點(diǎn)1除外，其余測(cè)點(diǎn)當(dāng)深度在0～5 m時(shí)，隨著深度的增加，動(dòng)偏應(yīng)力增加，且在5 m時(shí)，達(dá)到峰值；當(dāng)深度大于5 m時(shí)，動(dòng)偏應(yīng)力隨著深度增加而減小。同時(shí)，距橋墩越遠(yuǎn)，動(dòng)偏應(yīng)力越小。由于橋墩有2 m埋在土體中，因此橋墩底端R＝0im測(cè)點(diǎn)1處土體的動(dòng)偏應(yīng)力從深度2 m處開(kāi)始計(jì)算，且當(dāng)深度為2～4 m，動(dòng)偏應(yīng)力隨深度的增加而減小，在4～8 m時(shí)，動(dòng)偏應(yīng)力隨深度的增加而增大，與其他測(cè)點(diǎn)處的變化規(guī)律明顯不同。在凍結(jié)季，距橋墩底端R為0im、0.5 m和1 m時(shí)，當(dāng)深度為0～2 m時(shí)，動(dòng)偏應(yīng)力要明顯大于非凍結(jié)季，當(dāng)深度大于2 m時(shí)，動(dòng)偏應(yīng)力受凍結(jié)作用的影響較小，與非凍結(jié)季的變化規(guī)律基本一致，而當(dāng)深度大于8 m時(shí)，各個(gè)位置土體的動(dòng)偏應(yīng)力在非凍結(jié)季和凍結(jié)季相等。引起上述現(xiàn)象的主要原因是在距離橋墩較近的位置，由于樁基礎(chǔ)的存在，使得其與土體的相互作用加強(qiáng)，土體偏應(yīng)力增大，而隨著遠(yuǎn)離橋墩土體與樁基礎(chǔ)的相互作用減弱，且振動(dòng)波快速衰減，使得動(dòng)偏應(yīng)力越??；在凍結(jié)季上部黃色粉質(zhì)黏土處于完全凍結(jié)狀態(tài)，其彈性模量增大，土體和樁基礎(chǔ)相互作用增強(qiáng)，振動(dòng)波在土層分界面出現(xiàn)反射和折射，使得橋墩附近土體的動(dòng)偏應(yīng)力遠(yuǎn)大于非凍結(jié)季；而隨著深度的增加，下部土層不會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，因此非凍結(jié)季和凍結(jié)季的土體偏應(yīng)力基本相等。可以看出，土體是否處于凍結(jié)狀態(tài)對(duì)土體中的動(dòng)偏應(yīng)力有著明顯的影響。

圖6 距橋墩底端不同位置處動(dòng)偏應(yīng)力隨深度的變化Fig.6 Variation of dynamic deviating stress with depth at different locations from the bottom of pier

3 長(zhǎng)期變形分析

3.1 列車(chē)荷載作用下累計(jì)塑性應(yīng)變的確定

Li et al.（1996）提出基礎(chǔ)場(chǎng)地土體在列車(chē)荷載作用下的累積塑性應(yīng)變?yōu)椋?/p>

式中：qd為列車(chē)循環(huán)荷載下的動(dòng)偏應(yīng)力；qf為基礎(chǔ)場(chǎng)地土體的靜破壞應(yīng)力；N為循環(huán)荷載次數(shù)；a、b和m為與土體塑性變形有關(guān)的常數(shù)。

由于土體的塑性變形參數(shù)對(duì)累積塑性應(yīng)變模型的結(jié)果影響較大，在應(yīng)用該模型時(shí)，需要選擇適當(dāng)參數(shù)。因此，結(jié)合吳志堅(jiān)等（2011）和張峰（2012）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定不同土體的塑性變形常數(shù)（表2）。

表2 不同土體的塑性變形常數(shù)Table 2 Plastic deformation constants of different soils

土體在自重應(yīng)力下，土體的靜破壞力qf為（沈珠江，2000）：

式中：K0為土體的側(cè)限系數(shù)；ccu為土體的固結(jié)不排水黏聚力；φcu為土體的固結(jié)不排水內(nèi)摩擦角；σcz為土體的自重應(yīng)力。

圖7 距橋墩底端不同位置處?kù)o破壞力隨深度的變化Fig.7 The variation of static failure stress with depth at different locations from the bottom of pier

圖7為地面不同位置處，土體靜破壞力隨著深度變化關(guān)系。從圖中可以看出，不管土體是否處于凍結(jié)狀態(tài)，土體靜破壞力總體隨著深度的增加而增大；在深度為0～10 m時(shí)，橋墩底端R＝0im處的土體靜破壞力最小，距離橋墩越遠(yuǎn)，即R越大，靜破壞力越大；深度為10～15 m時(shí)，橋墩底端R＝0im處的土體靜破壞力最大，距橋墩越遠(yuǎn)，靜破壞力越??；深度為15～17 m時(shí)，靜破壞力隨深度增加的速度明顯減?。簧疃却笥?7 m時(shí)，距離橋墩越近的位置，土體靜破壞力越大。但在凍結(jié)季，深度為0～2 m時(shí)，土體靜破壞力隨深度而增加，然而在2～3 m時(shí)卻隨土體深度的增加而減小，這主要是因?yàn)樵跇蚨盏锥薘＝0im處存在樁基礎(chǔ)，樁自身承擔(dān)了一部分土體的靜破壞力，且樁長(zhǎng)10 m，所以深度在0～10 m內(nèi)其靜破壞力最??；隨著R的增大，樁基礎(chǔ)的作用減小，其靜破壞力也隨之增大；在冬季，上部的黃色粉黏土處于凍結(jié)狀態(tài)，其黏聚力和內(nèi)摩擦角都有所增大，而其他土層未凍結(jié)，所以靜破壞力在深度為2～3 m時(shí)呈減小趨勢(shì)。

根據(jù)分層總和法，可以得到重復(fù)列車(chē)荷載作用下基礎(chǔ)場(chǎng)地表面的永久變形Dp：

3.2 橋墩及基礎(chǔ)場(chǎng)地沉降計(jì)算分析

哈大高速鐵路每天運(yùn)行車(chē)次為30，一年列車(chē)運(yùn)行的次數(shù)為10i950次，其中有三分之一的運(yùn)行時(shí)間處于土體凍結(jié)期，即土體凍結(jié)季列車(chē)運(yùn)行次數(shù)為3600次。計(jì)算得到距橋墩不同測(cè)點(diǎn)處基礎(chǔ)場(chǎng)地地面累積沉降隨列車(chē)運(yùn)行次數(shù)的變化。

圖8為在不同列車(chē)運(yùn)行次數(shù)下，基礎(chǔ)場(chǎng)地表面累積沉降在不同測(cè)點(diǎn)位置的變化情況。從圖中可以看出，在橋墩底端R＝0im處，由于樁基礎(chǔ)的作用使得土體累積沉降較小，在距橋墩底端R為0～0.5 m時(shí)，樁基礎(chǔ)的作用減弱，但土體與橋墩的相互作用較強(qiáng)，使得基礎(chǔ)場(chǎng)地累積沉降增加，且在R＝0.5處，沉降達(dá)到最大值；當(dāng)R大于0.5 m時(shí)，隨著R的增大，土體和橋墩的相互作用減弱，基礎(chǔ)場(chǎng)地表面土體累積沉降越來(lái)越小，且列車(chē)運(yùn)行次數(shù)越多，沉降越大。

圖8 基礎(chǔ)場(chǎng)地表面累積沉降隨測(cè)點(diǎn)位置的變化Fig.8 Change of surface accumulated settlement with location of measuring points in foundation site

圖9 基礎(chǔ)場(chǎng)地表面累積沉降隨列車(chē)運(yùn)行次數(shù)的變化Fig.9 Changes of ground surface settlement with train operation times at foundation site

圖9 為在距橋墩底端不同距離處，基礎(chǔ)場(chǎng)地地表累積沉降與列車(chē)運(yùn)行次數(shù)之間的關(guān)系。從圖中可以看出，在列車(chē)荷載作用最初的2 a時(shí)間中，基礎(chǔ)場(chǎng)地表面累積沉降速率最大，且除R＝0im外，距橋墩底端的距離R越小，其沉降速率越大。距離橋墩R＝0.5 m處的沉降最大，列車(chē)運(yùn)行1 a后，基礎(chǔ)場(chǎng)地表面累積沉降為57.62 mm，運(yùn)行2 a后，累積沉降增加為62.50 mm，運(yùn)行10 a后，沉降發(fā)展為74.62 mm，運(yùn)行40 a后，累積沉降為87.32 mm。從圖中可以看出，隨著列車(chē)運(yùn)行次數(shù)的增加，基礎(chǔ)場(chǎng)地地表累積沉降增加，且最后趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)選取哈大高速鐵路鐵嶺至四平段某橋墩和基礎(chǔ)場(chǎng)地為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬等方法，分析了季節(jié)性凍土區(qū)在長(zhǎng)期列車(chē)荷載作用下，橋墩和基礎(chǔ)場(chǎng)地的振動(dòng)特性以及變形特性，主要得到以下結(jié)論：

（1）橋墩頂端墊石上的Z方向振動(dòng)特性與基礎(chǔ)場(chǎng)地的振動(dòng)特性存在著明顯的差異，基礎(chǔ)場(chǎng)地對(duì)振動(dòng)有明顯的放大效應(yīng)，其加速度峰值要遠(yuǎn)大于橋墩頂端墊石的加速度峰值，且不同的基礎(chǔ)場(chǎng)地的振動(dòng)特性也存在較明顯的差異，堆積填土對(duì)振動(dòng)的放大效應(yīng)更加明顯。

（2）基礎(chǔ)場(chǎng)地土體是否凍結(jié)對(duì)振動(dòng)傳播特性有較大的影響，距離橋墩越遠(yuǎn)，即R越大，土體和橋墩的相互作用越弱，振動(dòng)加速度峰值越小，且在凍結(jié)季由于土體的剛度提高，振動(dòng)傳播速度加快，振動(dòng)衰減速度減慢，在相同的測(cè)點(diǎn)，凍結(jié)季的加速度峰值要大于非凍結(jié)季的加速度峰值。

（3）基礎(chǔ)場(chǎng)地土體是否凍結(jié)對(duì)土體中的動(dòng)偏應(yīng)力的分布有明顯的影響，在橋墩底端R＝0im處，由于樁基礎(chǔ)的影響，使得其動(dòng)偏應(yīng)力和的分布不同于其他測(cè)點(diǎn)，當(dāng)土體深度為0～5 m時(shí)，其他測(cè)點(diǎn)的動(dòng)偏應(yīng)力隨深度增加，而在R＝0im處卻相反；當(dāng)深度大于5 m時(shí)，動(dòng)偏應(yīng)力隨深度增加而減小，且距橋墩底端越遠(yuǎn)，動(dòng)偏應(yīng)力越小，凍結(jié)季的動(dòng)偏應(yīng)力要大于非凍結(jié)季的動(dòng)偏應(yīng)力。

（4）基礎(chǔ)場(chǎng)地地表的累積沉降在距橋墩底端R＝0.5 m處最大，且隨著列車(chē)荷載作用次數(shù)的增加而增加，最后趨于穩(wěn)定，當(dāng)距離橋墩底端R大于0.5 m時(shí)，基礎(chǔ)場(chǎng)地地表累積沉降隨R的增大而減小。