超长沉管隧道地震响应快速分析方法研究

在分析一般隧道结构与沉管隧道的不同点及动力响应差异基础上,明确了沉管隧道地震响应能否准确模拟主要取决于管节接头和节段接头的非线性、地基刚度计算及边界条件处理等;在此基础上建立了超长沉管隧道地震响应快速分析方法,关键点包括基于地震水准的地基刚度计算方法、管节接头剪力键及止水带受力及变形特性计算方法、节段接头剪力键及止水带受力及变形特性计算方法、初始水压力及止水带橡胶松弛影响考虑方法等;然后,基于超长沉管隧道地震响应快速分析方法,对港珠澳大桥超长沉管隧道进行了升温及降温工况下沉管隧道地震响应分析,明确了最不利位置为隧道斜坡段,指出了两侧GINA止水带地震变形量和剪力键剪力为抗震薄弱位置,揭示了节段式沉管隧道温度敏感性。课题研究建立的超长沉管隧道地震响应快速分析方法,能够实现沉管隧道设计与计算的互动,便于工程应用。     

沉管隧道纵向静力计算问题探讨

为进一步综合分析长距离沉管隧道纵向内力和变形,保障其接头水密性,讨论了沉管隧道结构纵向静力分析计算模型和应考虑的一些问题,包括接头受力机制、GINA止水带选型和水密性检算,以及纵向沉降差与纵向弯矩和剪力的关系等。总结了简单而高效的弹性地基梁纵向计算模型及其接头模拟方法;提出使用地层-结构模式和强制位移法的三维壳体模型作进一步的补充细化分析;指出隧道纵向沉降曲线的曲率及曲率变化率分别影响着结构的纵向弯矩和剪力;给出接头的止水带选型及水密性验算工作如何与隧道结构纵向计算相互结合。     

运营期沉管隧道沉降变形分析

本文针对沉管隧道在设计和建造过程中往往注重抗浮而忽略运营期的沉降,以某沉管隧道16年的长期沉降监测数据为范本,对隧道沉降的纵向分布规律,沉降稳定性分析,隧道差异沉降以及各个管节自身的竖向弯曲变形姿态进行系统分析。分析结果显示沉管隧道的沉降受到地基刚度分布、覆土厚度以及周边环境的影响具有很大的不确定性,隧道姿态的变化会导致沉管隧道各管节出在不同形态的自身竖向弯曲状态,进一步加剧管节受力的复杂性。综合分析显示该隧道整体趋于稳定状态,相关分析成果也可以作为同类沉管隧道结构安全分析的技术参考。     

沉管隧道横向地基刚度分布模式初探

为解决沉管结构横向设计计算中的地基刚度取值问题,基于HS本构模型,通过理论推导研究地基刚度随应力水平的变化关系,得出沉管隧道横向地基刚度分布的近似解析解。结果表明： 1)沉管横向地基刚度分布模式与地基初始刚度、结构刚度、地基应力水平和上部荷载有关; 2)在软弱地基情况下,沉管横向地基刚度为W形分布模式; 坚硬地基情况下,底板跨中可能会与地基发生局部脱开,脱开段地基刚度为水平分布; 3)通过算例分析,地基刚度分布近似解析解与数值模拟结果能够较好地吻合,可为沉管结构计算提供依据。     

沉管隧道纵向地震易损性分析方法

目前沉管隧道抗震性能设计仅限于横断面分析,缺乏面向沉管隧道纵向抗震性能评估的地震易损性分析方法。为此,建立沉管隧道纵向地震易损性分析方法及评估指标。首先,合理考虑沉管隧道结构特征及接头构造,给出了纵向地震易损性分析模型,其中沉管管节结构采用宏观梁单元模拟,沉管接头采用细观精细化模型模拟,宏-细观模型之间需满足连续性约束方程,地层采用非线性弹簧单元模拟,并通过等效线性化方法来描述地层的非线性特征;其次,根据隧道所处场地的地震动特征选择合适的地震动输入,以及相应的地震动强度指标和结构损伤指标,建立基于增量动力分析的纵向地震易损性评估方法及分析流程,可以依据沉管隧道的不同极限状态定义获得用于纵向抗震性能评估的易损性曲线;最后,以某沉管隧道为应用实例,基于该方法建立了沉管隧道纵向地震易损性分析模型及评估指标,通过计算分析得到了表征隧道纵向抗震性能的地震易损性曲线,并开展多因素分析进而揭示了管节分段长度、地震动输入方向、地层-结构相对刚度比等关键参数的影响规律。结果表明：沉管隧道所处场地位置处的峰值速度是反映隧道纵向地震易损性特征的最优地震动强度参数;沉管隧道地震易损性与输入地震动波长有关,且管...     

沉管隧道管节接头剪切破坏试验

为了研究沉管隧道最薄弱的环节-接头的受力特点和破坏机制,根据实际沉管隧道接头形式开展了1：4大比例尺的沉管隧道接头低周往复加载拟静力试验。试验模型由2节钢筋混凝土管节组成,接头主要由钢筋混凝土剪力键和橡胶填塞垫构成,为贴近实际工程结构反应,试验模型采用与实际工程相同强度的钢筋和商品混凝土。利用顶杆位移计和拉线位移计等传感器得到了试验模型在循环剪切荷载作用下的接头破坏机理,并分别从沉管隧道试验模型的荷载-位移滞回曲线、接头抗剪承载力、接头与管段刚度比3个方面对试验结构进行了分析。试验结果表明：橡胶填充垫对沉管隧道接头具有缓冲保护作用;低周往复荷载下沉管隧道接头主要经历橡胶垫弹性变形、橡胶垫与剪力键协同作用及剪力键塑性变形3个阶段;接头总抗剪承载力为674 kN（3个单键的抗剪承载力分别为417,320,417 kN）,接头抗剪能力并不是单个剪力键承载力的线性叠加,需考虑剪力键之间的协同作用;接头与管节的剪切刚度有效比为1/960~1/672,接头是抗震的薄弱环节,在受到地震荷载时,变形主要集中在接头部位,并主要由接头处剪力键承担;接头的破坏模式主要体现在剪力键凸榫的端部剪裂及其失效后接头的不可恢复性变形。     

超宽沉管隧道横向地基刚度数值模拟研究

以深中通道沉管隧道工程为背景,对不同地层条件下的横向地基刚度的分布模式进行了研究。选取了典型的3个横断面,利用Plaxis2d有限元分析软件建立了地基—沉管隧道—回填荷载的二维数值模型,研究了软弱地基、硬岩及软硬不均匀地基条件下沉管隧道沉降规律及横向地基刚度分布模式。分析结果表明,管底地基刚度分布与两侧回填大小、施工工序密切相关,基底的软硬程度对沉降特征、管底接触应力及横向地基刚度分布模式影响很大,并且在沉管下沉、两侧锁定的工况条件下,基底的软硬程度对结构脱空位置有很大地影响。     

沉管隧道柔性接头压缩性能研究

柔性管节接头是沉管隧道的重要组成部分，接头的压缩性能决定了沉管接头的水密性能及安全性，但目前针对沉管隧道柔性接头压缩性能的研究相对缺乏，接头压缩性能参数的取值缺乏试验结果的支撑。基于此，以港珠澳大桥沉管隧道为研究背景，设计了几何比尺为1：10的隧道管节和接头模型，并进行了大比尺结构试验和止水带材性试验。通过对沉管隧道管节柔性接头逐级施加轴向荷载，试验获得了接头轴向位移随轴向荷载的变化曲线，并与止水带材性试验结果进行了对比分析，揭示了柔性接头的非线性压缩性能：接头压缩性能受GINA止水带自身压缩性能影响；相比材性试验，结构试验结果中接头压缩量普遍偏小2~3 mm，相对差异可达21%。为了进一步验证试验结果，分别建立了二维和三维止水带有限元模型，通过对比试验结果与有限元计算结果，分析并量化了试验中支座摩擦、止水带长度、形状及其横向约束等对试验结果的影响规律。量化分析结果显示，支座摩擦、止水带长度及横向约束对试验结果影响较小，可忽略不计，但止水带纵向尺寸对结构压缩性能影响较为显著，结果相差最大达到8.8%。最后基于试验结果提出了一种可用于模拟沉管接头压缩性能的简化力学计算模型，亦可应用于其他柔性接头的轴向力学分析。     

离岸人工岛岛隧结合部沉管隧道基础沉降控制研究

为防止深中通道岛隧结合部暗埋段、E1管节、E2管节差异沉降过大,进而导致管节接头剪力键剪力及管节内力过大,通过对岛隧结合部沉管基础采取预加固措施,研究不同段落地基与基础参数,分析计算出E1管节预抬量合理值。通过室内试验及现场试验获取关键参数并开展大型三维有限元分析,研究管节应力及沉降特性。根据室内试验确定考虑预压30k Pa的1.0m厚碎石垫层变形模量取值为:0～30k Pa段为25.4MPa,30～110k Pa段为8.9MPa。根据现场试验确定块石垫层变形模量取值为50MPa。依据上述参数开展有限元分析,最终确定岛隧结合部沉管基础加固措施及管节的预抬量值为70mm。     

复合地基在沉管隧道基础设计中的应用探讨

在对沉管隧道地基处理中两端陆域边界条件、纵横向荷载分布、地层受力特点、差异沉降控制及施工偏差等主要影响因素分析的基础上,对散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基、刚性桩复合地基在沉管隧道地基处理中的适用性进行了多项目对比分析;总结给出了各种复合地基处理方法的适用条件,并提出了沉管隧道采用复合地基方案时,设计计算中应引起高度重视的几个关键问题;最后引用国内外已建或在建的沉管隧道工程复合地基应用的典型实例,进一步说明复合地基在沉管隧道地基处理中将会有较为广阔的应用前景。     

沉管隧道接头在压-扭-剪组合条件下的力学性能分析

接头是沉管隧道中最薄弱并且非常关键的部位,其力学性能直接影响整条沉管隧道的安全性与水密性。目前研究仅限于沉管接头的压缩、压弯和压剪等简单荷载工况,未对组合工况如压-扭-剪工况进行过研究。以红谷隧道工程为背景,基于三维精细化建模技术,通过有限元软件ABAQUS建立了表征沉管隧道接头性能的力学模型,并考虑不同材料的非线性本构模型,开展了沉管隧道接头在压-扭-剪组合条件下的力学性能模拟研究,并与压-剪组合条件下的力学性能进行对比了分析。通过数值模拟计算揭示了沉管接头GINA橡胶止水带超弹性材料的特性及水密性,并得到了接头在压-扭-剪组合条件下的水平荷载-位移曲线,从而获得了接头的扭剪刚度和极限承载力,表明接头在压-扭-剪工况下的抗剪强度比压-剪工况下的抗剪强度小。同时,对混凝土及钢剪力键进行局部分析,得到其在压-扭-剪组合条件下的受力特性,并预测了剪力键可能的破坏模式。研究结果可为今后沉管隧道接头设计提供参考。     

带帽桩复合地基复合桩土应力比计算及工程应用

以控制桩帽间土体沉降量在工后沉降量标准范围内为目标,提出带帽控沉疏桩复合地基设计的思路和方法.采用调整桩体中心间距或桩帽尺寸等措施,以改变复合桩土应力比来进行带帽控沉疏桩复合地基设计.基于弹性理论和等沉面思想,不考虑复合桩体自身压缩变形量,简化了带帽刚性桩复合地基复合桩土应力比隐式计算公式,得到了按桩帽间土体沉降计算模...     

基于弹性地基梁理论的隧道纵向变形分析

随着国内外盾构隧道的大量建设和运营,盾构隧道纵向不均匀沉降问题日益凸现,从而引发隧道渗水漏泥、结构局部破坏等现象。文中对隧道产生纵向不均匀沉降的原因进行了分析。针对影响隧道沉降的各个因素,采用等效轴向刚度模型,并应用弹性地基梁理论进行计算分析,得出相应的沉降曲线,为软土盾构隧道纵向设计提供理论支持。     

海底沉管隧道基础处理及沉降控制技术的新进展

文中在对沉管隧道基础处理形式及境内外沉管隧道病害调研数据分析的基础上,指出不利荷载与不良地质作用是引发沉管隧道沉降及病害的主要原因。在对境外典型海底沉管隧道基础处理创新技术评述的基础上,重点介绍了港珠澳大桥沉管隧道基础处理技术的创新与提升,主要包括刚柔并济的双层垫层技术、挤密砂桩加堆载预压地基处理技术、基于CPTu的回弹再压缩沉降计算方法以及沉降控制标准的确定等,分析了深中通道沉管隧道基础处理面临的超宽变宽管节、采砂坑软土地基、风化岩遇水软化、砂土液化、回淤强度大等建设条件,并给出了相应的基础处理对策。在此基础上,结合国家重点研发计划,指出应在充分考虑结构与基础相互作用基础上,开展不良地质条件下海底沉管隧道病害诱发机理与主动防控技术的研究,提出了技术路线和主要研究内容,可供行业相关专业技术人员参考。     

考虑Pasternak地基模型的基坑开挖诱发既有隧道纵向变形理论分析

邻近隧道进行基坑开挖会破坏周围土体平衡状态，引起既有隧道结构不均匀沉降，最终将对隧道安全运营产生不利影响。为控制基坑开挖所导致的既有隧道纵向变形，基于Pasternak地基模型提出双基坑开挖引起邻近既有隧道纵向变形影响的两阶段简化分析方法，分析软土中双基坑开挖对隧道竖向沉降的影响。对比简化理论计算与三维有限元数值模拟，结果吻合较好，由此可得： 该简化解析法精度较高并且计算简便。此外，针对基坑侧壁与隧道轴线距离、基坑开挖深度和基坑间距等不同工况，分析双基坑平行隧道、双基坑垂直隧道、双基坑斜交隧道3种布置情况下双基坑开挖对邻近隧道竖向变形的影响，分析结果反映了隧道变形的规律。     

基于螺栓-凹凸榫连接的地铁盾构隧道管片环缝接头刚度分析及应用

为研究盾构隧道纵向计算模型中螺栓-凹凸榫型式环缝接头刚度的非线性力学特性,分别建立管片环缝张开与错台模式下的环缝接头计算模型,通过分析不同环缝变形状态下接头连接构件力学特征,得到环缝抗拉和抗剪刚度的非线性规律;环缝接头采用非线性抗拉、抗剪弹簧模拟,构建基于三维实体-非线性弹簧单元的盾构隧道纵向沉降计算模型,并将其用于评价地面堆载对厦门地铁2号线滨海区段管片结构安全的影响。结果表明,对于外径6. 7 m、内径6 m、环宽1. 5 m、环缝由M30螺栓连接的盾构隧道:1)环缝张开超过1. 78 mm时,接头抗拉刚度降低为设计值的1%;张开超过10. 2 mm时,可认为抗拉失效。2)环缝错台小于6 mm时,抗剪刚度基本不变;错台超过9. 7 mm后,抗剪刚度降低至约为设计值的25%;错台超过30 mm时,可认为抗剪失效。3)隧道轴线方向的地表超载范围为d,管片纵向变形受影响范围为±3d,轴线50环管片差异沉降小于23 mm时,可满足曲率半径不小于《城市轨道交通结构安全保护技术规范》控制值15 000 m。     

地面堆载诱发下既有盾构隧道纵向变形的解析解

为研究地面堆载作用对既有盾构隧道纵向变形的不利影响,将既有盾构隧道简化为置于Pasternak地基上的Timoshenko梁(定义为T-P模型),通过理论推导得到考虑盾构隧道剪切效应和地基剪切刚度的地面堆载诱发下,既有盾构隧道纵向变形的解析解。研究结果表明:1)与其他模型计算结果相比,在实测数据的最大值附近,T-P理论模型计算结果与实测数据更为吻合,从而验证该模型的可靠性。2)在隧道纵向变形计算上,T-P模型相比常用Euler-Bernoulli梁模型计算结果较大,而稍小于T-W模型计算结果,更接近实际监测数据;在内力计算上,Euler-Bernoulli梁模型计算结果较大,常用的EB-W模型弯矩、剪力最大值均为T-P模型的1. 3倍。3)随着隧道与堆载中心水平距离的增大,隧道竖向变形减小;提高土层弹性模量以及隧道等效抗弯刚度可以有效减少隧道竖向变形;当等效剪切刚度超过一定数值后,隧道变形趋于稳定。     

盾构管片纵向接缝位置对结构内力和变形的影响分析

根据盾构隧道管片衬砌之间的连接特性、衬砌结构与土层之间的相互作用性质，提出了基于弹性地基理论的盾构隧道管片衬砌结构的梁-弹性铰-地基系统模型，并研制了相应的有限元分析程序FHEF，该模型能直接计算出盾构隧道管片衬砌结枸的轴力、剪力、弯矩和变形，将计算结果直接用于工程设计。依据二维计算模型，就盾构隧道管片衬砌结构纵向接缝不同位置对衬砌结构的内力影响进行了详细计算分析，计算结果表明，纵向接缝的不同位置对结构的内力和变形不容忽视，工程设计时应从结构设计和防水设计等多个角度来确定纵向接缝的设置，从而指导工程实践。     

沉管隧道管节结构选型

通过分析近年来国内外沉管隧道工程的发展现状,以在建的港珠澳大桥海底沉管隧道为研究对象,对整体式管节与节段式管节开展了管节结构内力、管节及节段接头的受力与变形特性的计算分析,结果表明相比于整体式管节,节段式管节的结构内力降低显著,且管节接头的张开量有所减小,而管节接头的竖向剪力键受力基本相当,局部荷载段的节段接头剪力则较大。综合分析后,认为港珠澳大桥沉管隧道采用180m长的节段式管节结构形式是可接受的,研究结论可为其他同类工程提供参考。     

复杂环境下沉管隧道接头渐进破坏模式探析

海底沉管隧道所处海床的地质与水力条件恶劣、受力情况复杂,接头部位易发生病害.复杂环境下不良地质与不利荷载共同作用下海底沉管隧道接头渐进破坏模式的研究目前处于起步阶段,通过广泛调研将沉管隧道接头病害分为接头错位、止水带破损、剪力键破坏、接头渗漏水等类型,并系统分析了具体成因,结合深中通道沉管隧道工程地质、水文、气象条件等...