宽度不到10 km的青藏工程走廊穿越长约550 km的多年冻土区,承载了青藏铁路、青藏公路等重要生命线工程,同时,该地区强震多发,工程设施未来遭遇地震作用的风险较大。围绕青藏工程走廊多年冻土区这一特殊研究区域,从地震危险性分析和多年冻土场地地震动特征研究两方面对青藏工程走廊多年冻土区场地地震安全性研究现状进行回顾,并介绍最新研究进展。基于青藏工程走廊地震危险性对比分析结果,分别给出50年和100年超越概率63%、10%、2%的青藏工程走廊基岩地震动区划图,并转换得到50年超越概率10%的青藏工程走廊一般场地PGA区划图,与第五代中国地震动参数区划图相比,PGA=0.2g的范围有所扩大。场地反应分析结果表明,多年冻土场地地震动特征与冻土层温度及厚度、季节融化层厚度、冻土夹层厚度及其埋深有关。完全冻结场地地震动特征主要受冻土层温度和厚度影响,季节融化场地地震动特征主要受季节融化层厚度和多年冻土层厚度影响,多年冻土夹层场地地震动特征主要受冻土夹层厚度及埋深影响。研究结果可为青藏工程走廊内多年冻土区地震灾害风险区划、重大冻土工程地震安全性评价、寒区新建工程抗震设防及已有工程设施抗震加固等提供参...

在分析青藏铁路沿线多年冻土区土层波速基本特征的基础上,结合室内动三轴有关冻土动力学特性的试验结果,使用该地区50年不同超越概率的人造基岩地震波作为输入地震荷载,对青藏高原多年冻土区地震动特征进行分析。冻土区地震反应计算考虑了气候变化和工程活动引起多年冻土温度升高、活动层厚度增大的背景,获得了不同活动层厚度条件下冻土场地的放大效应及冻土区反应谱特征周期变化情况。在此基础上,选取多年冻土区典型填土路基结构,运用非线性动力有限元方法,进行地震荷载作用下的动力响应分析,量化非线性有限元计算和一维地震动力计算结果的差异,以及不同剖面位置加速度峰值分布特征。研究结果表明:地表峰值加速度放大倍数随着活动层厚度的增加而增加,而且活动层处于融化状态下的加速度放大倍数要大于冻结状态。活动层处于融化状态下,场地特征周期较冻结状态下稍大。并且场地特征周期随活动层厚度的增加而出现增长趋势。冻结状态下场地特征周期为0.32s,而融化状态下场地特征周期最大可以达到0.38s。研究还发现,由于路基本体的构筑,使得地震荷载作用下能量在路基下伏土体内出现集中,路基下方土体在同样的地震荷载作用下更容易进入塑性破坏状态。

在分析青藏工程走廊冻土波速基本特征基础上,结合室内动三轴有关冻土动力学特性的试验结果,考虑不同超越概率的人造地震荷载作用,对青藏高原多年冻土场地地震动特征进行分析。冻土场地地震反应计算考虑了气候变化和工程活动引起多年冻土温度升高、活动层厚度增大的背景,分别对不同冻土场地条件地震动特征进行分析,明确了活动层厚度、融冻状态及冻土层厚度等因素对冻土场地的加速度放大效应、地基土应变及反应谱特征周期变化特征。研究结果表明,尽管地表峰值加速度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。场地的固有特性随着冻土层厚度的变化而发生变化,冻土层厚度对地震动放大效应的抑制作用随着输入地震荷载的增大越为明显。冻土层厚度对场地特征周期值影响较大,场地特征周期随着冻土层厚度增加呈对数增大趋势。

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.

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。

基于对青藏铁路沿线多年冻土区的现场地质考察、14个典型钻孔的地质编录以及现场测试,获取了青藏铁路沿线多年冻土区土层波速的基本特征。而后结合室内动三轴有关冻土动强度的试验结果,使用该地区50a超越概率为62.5%,10.0%和2.0%的人造基岩地震波输入,通过土层地震反应计算,分析研究青藏铁路沿线冻土区10个冻土场地的地震动加速度时程与加速度反应谱的基本特征及其影响因素,同时,统计研究地温对场地的地震动加速度反应谱的影响。结果表明,青藏铁路沿线多年冻土区土层波速及横波与纵波之波速比值较非冻土区大,地震强度对冻土区场地的地震动加速度幅值具有决定性影响,冻土区典型地震动加速度反应谱的中、短周期成分所占比例较大,冻土场地的地震动加速度反应谱的幅值随地温的降低而普遍减小。

利用随机振动理论和动力分析的有限元方法,对青藏铁路多年冻土区场地进行了随机地震反应分析,分析了多年冻土区场地随机地震特性,研究了冻土层厚度的变化对场地随机地震特性的影响,获得了场地卓越频率及地震响应峰值。研究结果表明,随着冻土层厚度的增加,场地卓越频率呈增大趋势,但变化不大,场地地震反应呈减小趋势。

针对季节冻土地区一场地,进行了现场地脉动观测,并在观测点采集原状土样。采用动三轴试验,取得了融土和冻土的动力学参数,如土层的剪切模量比和阻尼比等。讨论了具有季节冻土层的场地上地震动反应分析的输入问题,包括边界条件、地震动时程和土层参数。利用这些参数和场地地震危险性分析结果,应用一维剪切梁模型,计算得到场地在季节冻土层消融前后的地面强震地震动参数。进一步假定不同的冻土层厚度,计算得到地震动峰值参数和反应谱随冻层厚度变化的规律,以此分析了冻土层对地震动效应的影响。对场地所做的地震动计算结果表明:地表的冻土层对强震有一定的抑制作用,冻土层对地震安全性有正面影响,此效应随冻结深度的增加而加大;而场地的卓越周期随冻土层厚度的增大而减小。对于季节冻土地区的抗震设计具有一定的意义。

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。

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。