我国西北地区被季节冻土全覆盖，且近年来该区域地震频发。为研究我国西北地区季节性冻土场地的地震反应特性，开展了季节性冻土场地振动台试验，并建立了不同冻结深度的三维实体有限差分模型，对比分析了不同地震激励作用下的季节性冻土场地的地震反应特征和土体的动剪应力—动剪应变规律。结果表明：在地震激励下，冻土层的存在虽然有效抑制了地震动能量，但冻结期场地的水平位移与非冻结期相比明显较大，且竖向位移呈显著的层状震陷特征；冻土场地的峰值放大系数呈先增大后减小然后再增大的规律，并且冻土层深度越大其峰值放大系数越小。此外，通过土体的动剪应力—动剪应变关系可以发现，冻土场地地震反应具有明显的非线性特征，且冻土层的存在对地震能量具有一定的削弱作用。

本项研究从冻土场地效应、冻土对桥梁地震响应的影响、冻土与桥梁结构相互作用3个方面总结了冻土区桥梁抗震的多年研究现状,旨在推动多年冻土区桥梁抗震理论的发展.结果表明:冻土场地地震效应显著,目前多年冻土区桥梁抗震设计中未充分考虑冻土场地效应的影响,且缺乏相应的抗震规范依据.大量数值分析结果显示,季节与多年冻土层均对桥梁地震响应产生显著影响,而目前多年冻土区桥梁结构-冻土体系的耗能机制及破坏特征的研究不充分,仍需大量震害调查和试验研究.对于多年冻土区桥梁工程广泛采用的桩基础形式,冻土层的存在使得地震作用下桩-冻土相互作用机理复杂化,桩-冻土相互作用理论计算模型有待完善.桥梁抗震分析中未充分考虑冻土水热效应的影响(冻土随温度和含水量等水热特性变化引起的力学性能的改变).上述问题都是今后多年冻土区桥梁抗震研究需重点关注的方向.

总结了当前场地地震反应分析的计算方法与发展现状,得到寒区场地中由于冻土层结构的存在会对地震动的传播和场地的地震反应产生影响的结论。土体在冻结过程中其强度与刚度会显著增强,在地震过程中冻融土层界面的容易发生滑移破坏,并对场地地震反应和地震波的传递特征具有较大影响,是冻土场地地震反应分析中应当考虑的关键问题。鉴于当前场地地震反应计算方法不能模拟该界面的滑移特征的局限性,建议构建冻土场地地震反应计算新方法,并阐述了构建该方法所需要开展的基础性研究工作。

为分析冻土场地波速变化规律,通过现场钻孔波速测试,并结合已有典型场地波速资料,研究了青藏铁路沿线多年冻土场地波速比的经验值及波速变化受控制因素的影响规律。结果表明:多年冻土场地纵横波速比经验参考值可选用1. 5左右;冻土层波速传播规律与地温、土层埋深、土质属性、冻结冰晶含量等诸多因素相关;冻结作用使土体的结构性增强从而冻土体强度增强,冻结状态下土体的波速通常大于未冻结场地土体;多年冻土层波速值随土层深度的增加、地温的降低和冻结土体中冰晶含量的增加而增加。

为揭示高架轻轨引起的环境振动传播规律以及季节性冻土对振动的影响,采用在线路附近布设加速度传感器的方式获取了长春轻轨3号线桥墩和地面振动数据。利用周期图法估计了各个测点的加速度功率谱,据此计算了1/3倍频程的振动加速度级和加权振动级。结果显示:桥墩处的振动以顺桥向分量为主,地面处的振动竖向分量大于水平向分量;振动的主要频率范围为10-80Hz,高频振动衰减速度快,低频振动衰减速度慢;冬季桥墩处的振动低于夏季,但远处地面的高频成分高于夏季。与地面城轨相比,高架轻轨的振动对环境的影响较小,但对轨道附近精密仪器设备而言,冬季冻土的不利影响应予以关注。

以青藏铁路工程抗震设计与加固为应用背景,采用地震反应分析的二维动力有限元法,开展青藏铁路冻土场地-路基的地震动力反应数值分析,给出了冻土场地-路基最大水平加速度、最大竖向加速度、最大动竖向正应力、最大动水平正应力、最大动剪切应力随地层深度的变化规律。研究表明:冻土层厚度对场地-路基地震动力反应有重要影响。路基顶部,冻土场地的最大竖向加速度远大于非冻土场地的最大竖向加速度,而冻土场地的最大水平加速度小于非冻土场地的最大水平加速度。冻土场地较非冻土场地动应力的峰值基本偏大且频率高,最大动竖向正应力随深度增大呈近似线性增大、而最大动水平正应力和最大动剪应力在冻土层与非冻土层分界附近则呈剧烈波动变化,与非冻土场地路基动应力反应明显不同。据此,指出了冻土场地路基在地震作用下的危险点所在位置。

季节性冻土场地从未冻结状态过渡到冻结状态或反向循环,土体的物理力学性质将发生巨大变化,各种强度指标大幅度提高或衰减。中国东北、华北及西北大部分地区烈度在7度以上。立式圆柱形储液罐一旦在地震中遭受破坏,其损失不仅为罐体本身和所储存的介质,更为严重的是它所产生的次生灾害。以Ⅲ类季节性冻土场地上的八种立式储罐为研究对象,计算了场地在非冻结期和冻结期两种情况下储罐的地震反应,并对计算结果进行了对比分析。结果表明Ⅲ类季节性冻土场地上的储罐,冻结期的地震反应要比非冻结期的地震反应明显增大。

以青藏铁路工程抗震设计与地震加固为应用背景,基于冻土场地路基的若干典型工况,开展多年冻土场地路基地震响应动应力性状的研究工作。研究表明,与不同的场地地形条件相比,冻土层对路基地震响应动应力的影响更加突出,尤其是含冻土层路基的地震动应力幅值、频率较不含冻土层路基的地震动应力幅值、频率大得多,因而冻土层的存在可能加剧了路基的震害响应。

多年冻土场地路基及与之相关土工构筑物的抗震已成为以往研究不足、而目前道路建设中又必须尽快解决的重要工程问题之一。以在建的青藏铁路工程的抗震设计与地震加固为应用背景,基于若干种较为典型的冻土场地路基工况,采用非水平场地土体(土工结构物)地震反应分析的二维动力有限元法,分别输入El Centro波及天津波,开展多年冻土场地路基地震加速度反应谱的研究工作。研究表明,在高频El Centro波和低频天津波输入下,无论冻土层存在与否,路基地震加速度反应谱均主要表现为高频脉冲型,反映了路基的地震冲击型破坏作用;当输入高频El Centro波时,在中、低频段,含冻土层路基的地震加速度反应谱较不含冻土层路基的地震加速度反应谱大;而在低频天津波输入下,冻土层存在与否,对路基地震加速度反应谱的影响较小。与不同的场地地形条件相比,输入地震波频率的不同,对冻土路基地震加速度反应的影响更大,尤其是当存在融沉盆时更加剧了路基的地震加速度反应。

直接针对目前多年冻土场地道路工程抗震问题研究尚很薄弱这一事实,以在建的青藏铁路工程的抗震设计与地震加固为应用背景,基于若干种较为典型的多年冻土场地路基工况,开展多年冻土场地路基地震动位移性状的研究工作。研究表明,与不同的场地地形条件相比,场地冻土层厚度对路基地震位移响应的影响更加突出,尤其是含冻土融层路基的地震动位移值较不含冻土融层路基的地震动位移值大,因而冻土融层的存在无疑加剧了多年冻土场地路基的震害响应。