根据青藏工程走廊北麓河及楚玛尔河场地地震危险性分析结果,合成年超越概率为1.97%、1.00%、0.21%、0.10%、0.04%、0.02%的人造基岩地震波作为输入地震动,结合场地钻孔剖面及波速资料,和已有的冻土动力学研究成果,建立一维模型,通过等效线性化方法进行场地地震反应分析计算,研究了青藏工程走廊多年冻土场地地震动加速度峰值特征及影响因素.研究结果表明,北麓河场地与楚玛尔河场地的人造基岩地震波峰值及持时均存在显著差异,北麓河场地峰值大、持时短,以近震影响为主,楚玛尔河场地峰值小、持时长,以中远震影响为主;多年冻土区场地,夏季场地地震动加速度峰值显著大于冬季,活动层融化对场地地震动加速度峰值有明显的放大效应;冬季场地冻结后,场地地震动加速度峰值随冻土波速增大而减小,最大减小幅度为6.1%,随动剪切模量比减小、阻尼比增大而减小,最大减小幅度为8.9%.活动层的融化有利于放大场地地震动加速度峰值,重大冻土工程抗震设防应予以重视.

为研究季节冻土区铁路路基在不同冻结时期振动特性,针对典型深季节冻土区大庆分别在冻结期、春融期和正常期进行列车行驶路基振动加速度的现场监测。研究结果表明:1季节冻区路基振动加速度有效值衰减速曲线可用负指数函数拟合;2路基振动强度受列车类型、行驶速度、列车编组、列车载重等因素共同影响;3受环境温度变化的影响,在冻结期自路基基床表层向下冻结,这部分冻结层使路基强度和刚度增加,阻尼比减小,因而导致加速度幅值在纵向和竖向被放大而在水平方向被抑制;4在春融期自基床表层向下开始解冻,由于其下部土体仍处于冻结状态,融化产生的水分无法及时从底部排出,于是形成饱水层使结构层强度大大降低,此时在上部列车荷载作用下,加速度幅值在纵向和竖向被抑制而在水平略有增加。

为了研究季节冻土区行驶列车引起的含冻土层铁路路基的振动反应特性,在大庆地区季节冻土场地进行了冬季现场试验。试验结果表明:列车行驶产生的路基振动加速度在近轨处具有周期性变化的特征,随着监测点距轨道距离的增大,其周期特性逐渐减弱并消失;季节冻土层的存在对路基竖向振动具有放大作用;列车行驶引起的路基振动加速度随与铁轨距离的增加而减小,并以竖向振动衰减最快;列车行驶过程中会引起环境振动问题,随着距铁轨距离的增大,垂向加速度振级呈递减趋势,时速越小则降幅越大,货车由于轴重大,衰减幅度低于普通客车。

为了研究季节冻土区在无冻土层时列车正常行驶引起的铁路轨道结构振动反应特征与衰减规律,针对哈尔滨-大庆铁路夏季振动反应进行了现场监测.合理定义振动反应加速度特征值,并结合加速度反应时程曲线对钢轨、轨枕、路基和场地振动反应特性取得定量认识,提出用负幂次函数等拟合路基振动反应衰减关系并给出拟合参数;获得列车行驶速度、车辆结构、重载等对钢轨、轨枕、路基的振动反应影响显著,无缝线路列车高速行驶过程中钢轨纵向振动不可忽视且值得深入研究等结论.

通过大庆季节冻土场地冬季现场实测试验,实测枕木-路基在列车高速行驶振动荷载作用下振动加速度反应,研究了季节冻土区铁路冬季列车行驶振动加速度反应的变化规律。主要获得了如下结论:(1)列车通过时,枕木主要以竖向振动和横向振动为主;路基近线路中心线处以竖向振动为主,稍远处以纵向振动为主,达到一定距离时主要以横向振动和竖向振动为主;(2)枕木—路基的振动反应与列车类型、行驶速度等因素有关;(3)列车荷载引起的路基振动加速度值随与线路中心线距离的增加而减小。上述研究对真实了解季节冻土场地的枕木-路基体系的动力性能、冻土层对路基振动反应的影响等具有重要的意义,为季节冻土区轨道路基的设计、施工、养护提供依据,给理论研究提供必要的实际依据。

季节性冻土和多年冻土的存在,对场地的地震反应将产生一定的影响。根据一维波动理论,应用水平层状场地地震反应的等效线性化有关程序,对季节性I,II类场地的冻土区和多年冻土区在不同地震波作用下的反应进行计算,分析冻土层的变化对场地地震反应的影响。计算结果表明:在季节性冻土区,冻土层使自由场地的地面峰值加速度减小,且随冻土地温降低,冻土厚度增大、地面的加速度减小。对II类场地的冻土层影响大于I类场地;在多年冻土区,冻土层厚度越大,II类场地的地面加速度越小,而在I类场地上没有此规律。多年冻土上界以上为融土时,地表面的加速度峰值比上界以上为季节性冻土时要大。

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。

根据波动理论考虑土体的非线性,得到地震反应谱的解答,应用求解水平层状场地地震反应谱的等效线性化程序,数值求解不同负温、不同覆盖层厚度多年冻土场地的地震加速度反应谱,季节冻土场地冬夏季地震加速度反应谱。计算结果表明:负温对多年冻土场地加速度反应谱的影响显著,随着冻结温度的降低,加速度反应谱的加速度峰值逐渐降低,并且其峰值前移,场地卓越周期减小;随着冻土覆盖层厚度的增加,反应谱峰值先增大后减小;季节冻土场地夏季的地震反应高于冬季,但在短周期阶段也出现了反超的现象。