桥桩-土-隧道体系动力相互作用的振动台试验研究

摘要：

为研究地震作用下桥桩-土-隧道体系的动力响应特性，依托某实际工程，设计出8个试验工况，选取3种不同地震波类型及地震强度，开展几何相似比为1/30的振动台模型试验，并从体系的固有频率和加速度响应等方面进行分析。通过对比分析各个工况，结果表明：桥桩的存在会削弱周围土体以及侧穿隧道的加速度响应，而隧道的存在则会放大场地土以及附近桥桩的加速度响应;不同类型的地震波对桥桩-土-隧道体系动力响应的影响不同。试验结论可为类似工程的抗震设计提供一定的理论指导。

关键词：

桥桩-土-隧道体系; 动力相互作用; 振动台试验; 加速度响应

中图分类号： TU921""""" 文献标志码：A"" 文章编号： 1000-0844（2024）05-1063-11

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220921002

Shaking table test on the dynamic interaction

of pile-soil-tunnel systems

XU Hongchun1， ZHANG Ya'nan2， ZHAO Dongxu2， BAI Xiaoxiao2

（1. College of Civil Architecture， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou 450046， Henan， China;

2. School of Civil Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， Liaoning， China）

Abstract：

This paper aims to study the dynamic response characteristics of bridge pile-soil-tunnel systems under seismic action. Eight test conditions are designed based on actual projects， three different seismic wave types and intensities are then selected， and shaking table model tests with a geometric similarity ratio of 1/30 are conducted to analyze the system from the aspects of natural frequency and acceleration response. The results show that the presence of the bridge pile weakens the acceleration responses of surrounding soil and lateral tunnel， while the existence of the tunnel amplifies the acceleration responses of site soil and nearby bridge pile. Different types of seismic waves have various effects on the dynamic response of the pile-soil-tunnel system. The experimental results can provide theoretical guidance for the seismic design of similar projects.

Keywords：

pile-soil-tunnel system; dynamic interaction; shaking table test; acceleration response

0 引言

目前，为解决我国各大城市地上交通拥堵问题，发展城市地下轨道交通成为首要选择。随着轨道交通的不断建设，不可避免地对周围建筑物产生影响［1］。为了提高城市的整体抗震能力，需同时考虑地下结构与地上结构的整体抗震性能［2］。

以往的研究主要集中于开展土-地上结构体系和土-地下结构体系的振动台试验［3-7］。陈国兴等［8］通过土-隧道体系动力相互作用的振动台试验，得到了地铁区间隧道结构，在水平向振动的影响下，纵向断面应变的分布规律，以及隧道与土接触面动土压力的实测结果及其反应规律。Motamed等［9］开展了3×3桩群的1g振动台模型试验，结果表明，土体的位移和速度是影响群桩侧力分配的最主要参数，且这2个参数主要与地基的几何形状有关。庄海洋等［10］通过进行振动台试验探究了饱和砂土地基液化的震害情况，结果发现在土-桩-隔震层-上部结构体系的动力相互作用中桩顶更容易遭受严重的地震破坏。阮志环等［11］基于某典型卵石土场地设计了振动台试验，结果表明，场地地表有明显的放大效应，而卵石场地对地震波的传播则存在着低频放大，或高频滤波的效果。

以上成果均主要针对单一结构体系进行的研究，而在结构地震反应分析中，应充分考虑地上结构-土-地下结构动力相互作用（Structure Soil Structure Interactions，SSSI）的问题。目前，国内外对SSSI的研究方法大多集中在理论分析和数值模拟［12-17］，开展的相关试验十分有限。为了深入地认识地震作用下SSSI体系的作用机理，了解其影响规律，本文以某实际工程为背景，针对地震作用下桥桩-土-隧道相互作用体系的动力响应特性，采用几何相似比为1/30的振动台试验展开研究，以期为类似工程体系的抗震设计提供参考依据。

1 实际工程背景

某工程中隧道侧穿快轨3号线桥桩，快轨3号线上部结构推测为多跨连续梁结构。桩基础的环境设施重要性分类为重要设施，桩径根据物探资料为4.0 m，桩底标高为-17.30 m。隧道左线为矿山法暗挖隧道，断面尺寸为9.4 m（宽）×10.4 m（长）;隧道右线为盾构法隧道，隧道外径为6.2 m;隧道主要位于全、强、中风化钙质板岩中，上覆岩土体主要为杂填土、淤泥、含碎石黏土和全风化钙质板岩，属非常接近重要设施的Ⅰ级环境风险源。工程断面如图1所示。

2 振动台模型试验

为了研究桥桩-土-隧道体系的地震响应规律，根据某实际工程，设计了一系列振动台模型试验。

2.1 相似比设计

本试验在辽宁工程技术大学结构实验室的模拟地震振动台系统开展。振动台台面尺寸为3.0 m×3.0 m（长×宽），最大加速度为1.5g，最大有效载荷为10 t，其工作频率为0.1～50 Hz。根据实际工程和振动台尺寸，试验设计模型的几何相似比为1/30，基于Buckingham-π定理进行相似比设计，采用人工质量模型，选择几何尺寸、弹性模量、密度为模型结构的基本物理量，推导出满足相似关系的其他物理量，如表1所列。

其中，lr表示模型结构的几何尺寸相似比;Er表示模型结构的弹性模量相似比;ρr表示模型结构的质量密度相似比;σr表示模型结构的反应应力相似比;tr表示时间相似比;rr表示模型结构反应变位相似比;vr表示模型结构反应速度相似比;ar表示结构反应加速度相似比。

2.2 模型结构设计

结构模型采用弹性模量为3.0 GPa，泊松比为0.2，密度为1 180 kg/m3的有机玻璃。在原型结构中，将高架结构简化为集中力作用于桥桩上，根据相似比计算为92.37 N。由于实验室条件有限，最终桥桩结构的配重为100 kg，左隧道结构的配重为60 kg，右隧道结构的配重为30 kg。模型结构尺寸及其配重，如图2所示。

2.3 模型土设计及模型箱

试验模型土采用均质砂土制备，取自某施工场地的基坑中，经过晒干、筛分得到均匀干燥的细砂，通过人工铺设在模型箱内。对模型土取样进行室内试验，得到模型土材料参数如表2所列。

振动台试验采用的模型箱为刚性箱，如图2所示。使用M20的螺栓将模型箱固结在振动台平面上，四周周围放置斜支撑加固。模型箱的尺寸为2 m×2 m×1.5 m（长×宽×高），箱体内部采用200 mm厚的聚苯乙烯泡沫板，固定在侧壁上，达到减小箱体边界效应的效果，同时在泡沫板上铺设聚苯乙烯塑料薄膜减少试验过程中的摩擦。文献［18］验证了软内衬刚性模型箱的可行性。

2.4 试验工况及传感器布置

试验中主要监测内容包括隧道、桥桩以及场地土的加速度响应规律、桥桩-土-隧道体系的动力相互作用、隧道与桥桩的应变响应规律等。设计8组试验工况，试验中采用的传感器有加速度传感器A、应变片S及土压力盒P。8组试验工况如表3所列，其中FF工况和DTSP工况的传感器布置如图3所示。

2.5 试验工况加载

本试验采用逐级增加输入波加速度幅值的方法，输入El-Centro、Chi-Chi、Taft 3种地震波。El-Centro波是世界上第一条被记录到的强震动，对于人类地震的研究有着重大的意义;Chi-Chi波是记录发生在中国台湾省，强度为7.62级的地震波;Taft波由于记录完整、数据可靠，在研究地震响应中被广泛引用。3种输入地震波具体信息如表4所列。依据2.1中的相似关系对这3种地震波进行压缩，如图4为压缩后幅值为0.1g的地震波加速度时程及傅里叶频谱曲线。在加载El-Centro、Chi-Chi、Taft波之前，进行白噪声扫频，得到体系的固有频率。地震波按0.1g、0.2g、0.3g的加速度幅值依次进行加载，具体试验加载顺序如表5所列。

3 试验结果分析

本节对振动台试验所采集的数据进行系统化处理。首先，对试验的边界效应进行验证；其次，对比分析各个体系的地震响应。由于篇幅有限，本文从频率、加速度两方面对桥桩-土-双隧道体系的动力相互作用进行初步的探究。

3.1 边界效应验证

根据文献［18］已经分析验证了刚性箱内置柔性衬砌的可行性。为了更好地说明试验数据的可靠性，需要对试验的边界效应进行验证。以自由场地表监测点为验证参数，引入边界效应系数为验证指标［19］，如下式所示：

μx，y=∑（xi-yi）2n-1X×100% （1）

式中：xi是参考点的加速度样本值（参考点位于模型箱中心，远离箱壁，本文取A14为参考点）;yi是其余测点的加速度样本值;X是参考点的加速度峰值;n为参考点数目。

由于自由场左右对称，因此选取右侧2个监测点计算边界效应指标，计算结果如表6所列。

分析表6可以发现，在不同地震波作用下，边界效应系数表现为μ14，19＜μ14，20。这说明边界效应系数随着模型箱中心的距离增加而增大，但是边界效应系数值都在10%以下。根据文献［19］，试验中边界效应引起的试验结果偏差在误差范围内。因此，本试验得到的数据是可靠的。

3.2 体系固有频率

试验过程中采用传递函数法测量各个体系的固有频率。在传递函数法中，频率响应函数定义为记录的加速度时程与输入时程的比值。8种工况下体系的频率响应曲线如图5所示，一阶频率如表7所列。

通过图5与表7对比分析可以发现，自由场的固有频率明显大于有桥桩、隧道存在时工况的固有频率。这说明桥桩、隧道结构的存在减弱了体系的刚度，进而减小了体系的自振频率。根据表7可知，单一隧道、单一桥桩及二者共同存在时，体系的固有频率相差不大。这可能是由于缩尺试验的原因，导致对结果的影响不明显。

3.3 桥桩与隧道结构对场地加速度的影响规律

为了方便对试验中不同工况不同测点的加速度响应进行对比分析，本节选取场地土表面测点A16，对比单桩（SP）和单隧道（LTS）工况下该测点分别在El-Centro、Chi-Chi、Taft波0.1g幅值下的加速度时程与傅里叶频谱曲线。图6为FF工况和SP工况下测点A16的加速度时程对比曲线与傅里叶频谱对比曲线;图7为FF工况与LTS工况下测点A16的加速度时程对比曲线与傅里叶频率对比曲线。

由图6对比分析发现，3种地震波作用下SP工况中测点A16的加速度峰值均小于FF工况中测点A16的加速度峰值，这表明桥桩结构的存在降低了周围场地土的加速度响应。

由图7可以看出，在3种地震波下作用下LTS工况中测点A16的加速度峰值均大于FF工况中测点A16的加速度峰值，这表明隧道结构的存在增大了周围场地土的加速度响应。

3.4 桥桩与隧道间的影响规律

3.4.1 桥桩对隧道加速度的影响规律

为研究桥桩的存在对隧道加速度响应的影响，选取隧道结构上的测点A04，对比单隧道（LT）和桥桩-隧道（LTSP）工况下，该测点分别在幅值为0.1g的El-Centro、Chi-Chi、Taft波作用下的加速度时程与傅里叶频谱曲线。图8为LTSP工况与LT工况下测点A04的加速度时程与傅里叶频谱的对比曲线。

从图8中可以看出，在3种地震波作用下，LTSP工况中测点A04的加速度峰值均小于LT工况中测点A04的加速度峰值，这表明桥桩结构的存在降低了附近侧穿隧道的加速度响应。

但不同地震波降低的程度有所不同，这与地震波自身频谱特性有关。在Taft波作用下LT工况与LTSP工况的加速度峰值差异为6.04%，而在El-Centro波与Chi-Chi波作用下二者的加速度峰值差异分别为3.71%和3.70%。可见，在Taft波下桥桩的存在对隧道加速度响应的影响比El-Centro波和Chi-Chi波要大，El-Centro波和Chi-Chi波下二者差异基本一致。

3.4.2 隧道对桥桩加速度的影响规律

为研究隧道的存在对桥桩加速度响应的影响，选取桥桩上的测点A19，对比单桩（SP）和桥桩-隧道（LTSP）工况下该测点分别在幅值为0.1g的El-Centro、Chi-Chi、Taft波作用下的加速度时程与傅里叶频谱曲线。图9为LTSP工况与SP工况下测点A19的加速度时程与傅里叶频谱的对比曲线。

从图9中可以看出，3种地震波下LTSP工况中测点A19的加速度峰值均大于SP工况下测点A19的加速度峰值，这表明隧道的存在增大了桥桩的加速度响应。

不同的地震波对结构的动力影响规律不同，隧道结构对桥桩的加速度响应增大程度不同。经计算，SP工况与LTSP工况在El-Centro波作用下，二者加速度峰值差异为17.63%，而在Chi-Chi波与Taft波作用下二者的加速度峰值差异分别为8.4%和25.32%。可见，在Taft波作用下，隧道对桥桩的加速度响应影响效果更为显著。

4 结论

为探讨桥桩-土-隧道体系在地震荷载作用下相互作用的影响规律，本文以实际工程为背景，设计并开展了相关振动台模型试验，对试验结果进行了分析，得到以下结论：

（1） 桥桩和隧道结构的存在会对体系的刚度产生减弱效果，从而降低了体系的自振频率。

（2） 桥桩结构的存在会削弱周围土体4.17%～10.34%的加速度响应，同时会降低侧穿隧道3.70%～6.04%的加速度峰值。分析其原因是桥桩的振动会使周围土体密实，进而导致土体对隧道的约束作用增强。

（3） 隧道的存在会放大10.29%～15.86%场地土的加速度响应，对附近桥桩的放大系数为1.084～1.253。其原因在于地下结构尺寸相对较大，减少了可以接受地震能量土体的质量，同时地震波作用于诸多界面上的反射加大了土体和桥桩的地震反应。

（4） 与地震波自身频谱特性相关，不同地震波对场地或结构加速度响应的影响程度存在差异，因此在结论（2）和（3）中呈现出降低（放大）范围。

在上述结论中，桥桩、隧道之间的相互作用规律均以某双隧道近距离侧穿桥桩桩基的实际工程为前提，这些结论可以为今后探究类似工程的地震响应提供参考，也可为后续的研究做准备。上述研究是以缩尺试验为初步的规律性探究，后续将开展数值模拟对原型工程场地进行进一步的探究。

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（本文编辑：任 栋）