在地震荷载作用下,桩基在土层界面处易出现变形和应力集中,该现象在冻土与其他土层的界面处尤为明显,是导致冻土覆盖场地桩基失效重要原因。EPS材料(发泡聚苯乙烯)具有改善应力集中和减压的作用,在工程中被广泛用作路基填料。为评价EPS材料的减振性能,本文将EPS材料用作桩身和冻土层间的保护层,进行了振动台模型试验及数值计算。并进一步地在数值计算中探讨塑性材料的减振效果。结果表明,EPS材料能降低冻土覆盖场地中桩的应变、剪力、压力的峰值,具有良好的减振性能。塑性材料降低剪力、压力的性能更强,且效果随材料横截面积增大而变得更好。

多年冻土塑性形变特性是理解其应力响应性态及过载退化的关键,也是近年来冻土工程和岩土工程学科研究领域的热点问题。基于三轴试验测得9%、12%和15%含水量条件下-1℃、-2℃多年冻土弹性模量、黏聚力和内摩擦角等土层物理力学参数,建立典型铁路路基模型,分析天然地震荷载作用下多年冻土区铁路路基在温度升高、强度退化作用下的塑性形变规律。结果表明:随着温度升高冻土强度退化,-1℃的塑性形变大于-2℃各坡脚、路基中心处的塑性形变;左右坡脚处塑性形变具有对称性分布规律;典型铁路路基试验土层地温由-2℃升高到-1℃,9%含水量试验土层塑性应变左坡脚放大3.5倍、右坡脚放大4.9倍,12%含水量试验土层塑性应变左坡脚放大1.6倍、右坡脚放大2.5倍。多年冻土退化条件下12%含水量的试验土层表现出良好的稳定性,在同等受力条件下塑性变形增长最小。

地震荷载作用下高含冰量冻土的动力特性试验研究对西北地区地震多发地段的冻土工程的抗震设计具有重要意义。通过选取兰州的重塑冻土进行动三轴试验,分别研究了地震荷载下不同控制温度(-6,-3,-1℃)、不同含水量(30%,50%,75%)以及不同围压(0.3,0.5,1,2 MPa)下高含冰量冻土的动应力应变关系和动弹性模量。试验结果显示,不同条件下冻土的动应力应变关系呈Hardin-Drnevich双曲线模型,并且不同温度、不同围压和不同含水量对模型参数都有着影响。动弹性模量随温度升高而减小,温度每升高1℃,弹性模量就下降12～15 MPa。围压对动弹性模量的影响有强化作用和弱化作用,-6℃时动弹性模量随围压增大而增大,-1℃时大应变情况下动弹性模量随围压增大而减小。对于高含冰量冻土,动弹性模量随含水量的增大先减小后增大。

为了研究温度变化对冻土区桩基础在地震荷载下特性的影响本文运用MIDAS/GTS有限元数值分析软件讨论了地震作用下不同温度对单桩基础受力性能的影响,并通过数值计算得出不同模型状况下的特征值、相对位移和弯矩曲线,并与实际值进行对比分析。结果表明,地震下温度升高会使桩基础反应变大,桩基础更容易失稳破坏。