考虑桩-土相互作用的某海底隧道岸边段结构抗震性能分析研究

尹训强,蒋园豪,赵 杰,王桂萱

(大连大学土木工程技术研究与开发中心,辽宁 大连 116622)

0 引言

随着我国经济水平的不断增长以及沿海、沿江城市交通发展的需要,水下隧道工程建设的迫切性不断提高。建设水下隧道工程主要采用沉管法。沉管法是隧道穿越海底以及大江、大河的一种特殊施工方法,具有埋深浅、断面设置灵活、地基承载力要求低等特点[1]。目前,世界研究沉管隧道已经有超过百年的历史。在中国,沉管隧道工程虽然起步较晚,但是发展迅速。举世瞩目的港珠澳大桥是当今世界上最长、规模最大、技术最复杂、标准最高的海底公路沉管隧道[2]。我国处于环太平洋地震带,近年来全球地震活动频繁,抗震问题突出。因此,开展沉管隧道的抗震分析具有重要的研究价值。

在沉管隧道抗震分析研究中,现场试验及振动台模型试验有很大的难度,所以大部分采用数值方法来研究。Jun-Hong Ding等[3]对上海沉管隧道进行地震作用下整体分析,其模型包括周围土壤、隧道段和详细的柔性接头,模型节点数和单元数超过百万。Oorsouw[4]分析不同接头形式在地震作用下的力学性能和变形特点。Anastasopoulos等[5]采用梁-弹簧模型对Rion-Antirrion海峡沉管隧道进行抗震分析。张旭等[6]运用沉管接头的非线性弹簧元简化模型和三维有限元建模,计算得到沉管接头在地震作用下的变形和内力响应情况。Klyomlya[7]通过分析日本沉管隧道抗震设计,提出采用柔性接头的建议。白龙等[8]利用ABAQUS有限元软件,考虑地基土层的初始应力和地基无限域的辐射阻尼效应影响,对港珠澳沉管隧道接头部位进行应力和位移研究。徐笑然等[9]考虑接头GINA止水带的橡胶材料特性、场地的初始地应力平衡以及上覆动水压力作用等,分析水平及竖向地震作用下沉管隧道三维动力反应。陈红娟等[10]利用有限元-无限元相结合的方法,研究不同连接刚度条件下沉管隧道不同接头处的动力响应特性。陈庆等[11]通过分析砂层内超孔隙水压力、有效应力、沉管结构变位以及沉管底部桩基内力和变形等,研究土体液化程度大小及对沉管结构与桩基受力的影响。

目前,对于沉管隧道的抗震研究大部分是沉管隧道或是沉管隧道-土体系统分析。而在沉管隧道下面有桩基础却不多见,并且在接头部位考虑设置剪力杆更是少之又少了。本文利用某海底隧道工程北岸岸边段的基本资料,结合ANSYS有限元软件,在罕遇地震条件下对某海底隧道结构主应力分布、变形、桩内力以及管节相对位移等进行综合分析。

1 工程概况

某海底隧道建设工程北岸岸边段为隧道北登陆点,其由隧道主体及防护结构组成,防护结构为重力式沉箱结构,分临时性和永久性两种。其施工期为止水围堰,满足隧道主体浇筑,施工结束后间隔拆除沉箱,同时临时沉箱处隧道为桩基片墙基础,在防护结构沉箱间形成通水通道。平面布置如图1所示。

图1 北岸段工程布置Fig.1 Engineering layout of north bank section

北岸岸边段隧道起点桩号为主K0+355,暗埋段终点桩号为主K0+404,至K0+785处设置北岸沉管暗埋分界点。研究选取Z7节段为主要研究对象,里程桩号为主K0+577.371～主K0+607.371。根据工程地质报告,该场地地层主要有淤泥、粉质黏土、中风化白云岩等。场地与沉管隧道桩基础接触主要以中风化白云岩为主。

2 计算模型

2.1 三维有限元模型

采用ANSYS有限元计算软件对某海底隧道建设工程隧道北岸岸边段进行数值模拟分析。北岸段沉管结构抗震分析所用坐标系定义:Y轴正向为竖直向上(高程坐标轴),坐标y= 0.0 m位于标高9.78 m处,北岸段沉管结构底部,Z轴为隧道轴线方向,X轴为与隧道轴线垂直方向。

如图2所示,模型Z轴取77 m,X轴取183 m,Y轴取56 m。建立的三维模型主要由土体、沉管隧道、桩基、沉箱五部分组成。沉管隧道主要由3个管节组成,总长度为75 m,宽度为43.5 m,高度为12.35 m,外墙壁厚1 m,上下壁厚1.4 m,桩基直径为1 m。

图2 隧道-土体-桩基-沉箱三维有限元模型Fig.2 Three-dimensional finite element model of tunnel-soil-pile-caisson

模型采用实体单元模拟,大部分为六面体单元,少部分用三棱柱及四面体适应局部复杂的结构形状或作过渡之用。综合考虑计算量情况,研究中取地基单元尺寸不超过5 m,结构单元尺寸不超过2 m,在0.2～2 m之间。整体模型网格划分为309 975个单元,338 544个节点(图3)。

图3 抗震分析模型局部-结构与桩基部分Fig.3 Part-structure and pile foundation of seismic analysis model

2.2 管节接头的简化模型和参数

沉管隧道相连管节接头主要由中埋式止水带、OMEGA止水带及抗剪构件组成,其剖面如图4所示。采用COMBIN39单元模拟止水带和剪力杆,其中通过非线性F-D曲线模拟其物理力学性能。目前接头刚度的取值尚无现成的公式或图表可循,一般是通过经验估计或建立三维数值模型计算得到。本文采用同济大学的《某海底隧道建设工程节段接头剪力杆抗剪承载力试验分析报告》(1)同济大学.某海底隧道建设工程节段接头剪力杆抗剪承载力试验分析报告.上海:上海市隧道工程轨道交通设计研究院,2018.中的试验数据。图5所示为剪力杆的力-位移曲线。止水带参考文献[6]中的压缩力-位移曲线定义非线性弹簧单元参数(图6)。

图4 管节接头剖面Fig.4 Pipe joint profile

图5 剪力杆的力-位移曲线Fig.5 Force-displacement curve of shear bar

图6 止水带的压缩力-位移曲线Fig.6 Compression force-displacement curve of waterproof belt

2.3 地震波输入

北岸岸边段的抗震分析中,采用中国地震局地震安全评定委员会审查通过的《某海底隧道建设工程项目场地地震安全性评价》报告提供的基岩地震波开展动力时程分析。罕遇地震(50年超越概率2%)的水平向加速度取0.181g,竖直加速度取0.169g,纵向加速度取0.162g。其时程曲线如图7所示。

图7 地震动时程曲线Fig.7 Time history curve of ground motion

2.4 材料参数

根据委托单位提供的设计图纸及工程场地地震安评资料,计算分析中采用沉管隧道主体、沉箱和桩的混凝土标号为C50,混凝土压重的混凝土标号为C30,混凝土垫层的混凝土标号为C20。采用的混凝土参数依据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)[12]选取。混凝土及其他材料的静动力参数列于表1。

表1 抗震设计计算参数Table 1 Calculation parameters for seismic design

2.5 桩土相互作用分析

建立考虑桩-土相互作用的北岸岸边段地震响应分析模型。在分析模型中,选用无厚度接触单元对桩土间的接触效应进行描述[13],通过在人工边界处设置黏弹性人工边界来反映远场地基辐射效应[14](图8)。

图8 桩-地基相互作用计算模型Fig.8 A computational model of pile-foundation interaction

2.6 动水压力的模拟

选取的沉管隧道模型大部分位于水下,但未全覆盖,动水压力主要作用在隧道周围,通过节点附加动水质量与相应的加速度来考虑。对于取水建筑物外迎水面、墙体的墙前水域可视为无限远时,按Westergaard公式[15]计算顺流向地震动水压力。其计算公式为:

(1)

式中:pw(h)为作用在直立迎水墙面水深h处的地震动水压力代表值;ρw为水体质量密度标准值;H0为水深;ah水平向设计地震加速度代表值。

3 计算结果分析

3.1 结构主应力和变形分析

在地震作用条件下,隧道结构的第一主应力主要分布范围为[-1.05 MPa,4.97 MPa],第三主应力主要分布范围为[-7.54 MPa,0.02 MPa],如图9所示。在隧道侧墙以及顶板底板角缘处偶有出现应力集中情况,其最大主应力主要发生在沉箱衔接的混凝土板的接口处。隧道结构最大水平位移为17.57 mm,主要在桩基础和隧道衔接处;竖向最大位移为8.33 mm,主要分布在沉箱段,如图10。衔接部位材料若发生变化,则易造成应力集中和变形较大。隧道结构截面层间位移角为(1/2 083),满足规范要求,且有一定的安全储备。

图9 结构整体应力云图Fig.9 Overall stress nephogram of structure

图10 结构整体位移云图Fig.10 Overall displacement nephogram of structure

3.2 桩内力分析

为方便分析,将Z7节段桩基础提取内力的桩进行编号,如图11所示。为节省篇幅,仅给出6号桩基础内力图,如图12所示,由结果可知,桩的轴力Fy的最大值为1 809.07 kN,位置为第6排桩的左侧;剪力Fx的最大值为433.35 kN,位置为第7排桩的左侧;剪力Fz的最大值为355.15 kN,位置为第3排桩的中间;弯矩My的最大值为135.70 kN·m,位置为第6排桩的右侧;弯矩Mz的最大值为115.92 kN·m,位置为第2排桩的左侧。进而,通过与桩的设计承载力进行对比分析,可满足设计要求。

图11 Z7节段桩基础提取内力的桩编号示意图Fig.11 Pile number diagram for extracting internal force from Z7 segment pile foundation

图12 6号桩基础内力图Fig.12 Internal force diagram of pile foundation No.6

3.3 管节相对位移分析

基于沉管隧道的地震响应分析计算结果,对沉管隧道模型接头处的相对位移进行分析。为方便分析,沉管隧道模型接头编号如图13所示,相对位移关键监测点位置示意如图14所示。

图13 沉管隧道模型接头编号Fig.13 Model joint number of immersed tunnel

图14 关键监测点位置Fig.14 Location of key monitoring points

如图15所示为设防地震作用下沉管隧道1号和2号接头处局部变形图。不难发现,由于采用COMBIN39非线性单元来考虑了止水带和剪力杆,在接头处会有明显的不均匀张开,能够较合理考虑到柔性接头影响。

图15 模型接头局部相对位移图Fig.15 Local relative displacement of model joint

沉管隧道接头三维数值模拟的重点是提取接头止水带的位移数据,观察其变形,研究在地震作用下柔性接头止水带的位移及受力变形特点。为方便分析基于沉管隧道的地震响应分析计算结果,表2列出各接头处关键监测点位置最大相对位移,图16列出了罕遇地震条件下,1号接头处关键监测点①的相对位移时程曲线。

图16 1号接头处关键监测点①的相对位移(单位:mm)Fig.16 Relative displacement of key monitoring point ① at joint 1 (Unit:mm)

表2 各接头处关键监测点位置最大相对位移Table 2 Maximum relative displacement of key monitoring points ateach joint

从以上计算结果可以得出以下结论:在罕遇地震作用下,水平切向x的最大相对位移发生在1号接头关键监测点①处,相对位移值为-0.76 mm;垂直切向y的最大相对位移发生在2号接头关键监测点①处,相对位移值为0.50 mm;法向z的最大相对位移发生在1号接头关键监测点①处,相对位移值为0.94 mm。

4 结论

本文立足于某海底隧道建设工程隧道——北岸岸边段工程为背景,利用ANSYS软件建立三维有限元分析模型,对整体隧道进行横向和纵向地震响应分析,开展了罕遇地震作用下的抗震分析,主要结论如下:

(1) 北岸段沉管隧道侧墙以及顶板底板角缘处偶有出现应力集中情况,建议设计部门在结构角缘处加强配筋。超过极限拉应力主要分布在沉箱衔接的混凝土板的接口处,这主要是由于接口处材料发生了变化,这些部位为结构的薄弱环节,需要进行配筋加强或提出相应的构造措施。

(2) 通过结构三维抗震分析,给出了沉管隧道层间位移,结果表明结构变形均小于规范限值,满足规范要求。

(3) 依据管节接头的相对位移分析,其位移较小,在合理范围之内,满足设置伸缩缝的要求。

(4) 所有接头处止水带的上部位移都比下部位移大,上部接头更容易在地震作用下发生破坏。