考慮樁-土相互作用的某海底隧道岸邊段結構抗震性能分析研究

尹訓強,蔣園豪,趙 杰,王桂萱

(大連大學土木工程技術研究與開發中心,遼寧 大連 116622)

0 引言

隨著我國經濟水平的不斷增長以及沿海、沿江城市交通發展的需要,水下隧道工程建設的迫切性不斷提高。建設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、大河的一種特殊施工方法,具有埋深淺、斷面設置靈活、地基承載力要求低等特點[1]。目前,世界研究沉管隧道已經有超過百年的歷史。在中國,沉管隧道工程雖然起步較晚,但是發展迅速。舉世矚目的港珠澳大橋是當今世界上最長、規模最大、技術最復雜、標準最高的海底公路沉管隧道[2]。我國處于環太平洋地震帶,近年來全球地震活動頻繁,抗震問題突出。因此,開展沉管隧道的抗震分析具有重要的研究價值。

在沉管隧道抗震分析研究中,現場試驗及振動臺模型試驗有很大的難度,所以大部分采用數值方法來研究。Jun-Hong Ding等[3]對上海沉管隧道進行地震作用下整體分析,其模型包括周圍土壤、隧道段和詳細的柔性接頭,模型節點數和單元數超過百萬。Oorsouw[4]分析不同接頭形式在地震作用下的力學性能和變形特點。Anastasopoulos等[5]采用梁-彈簧模型對Rion-Antirrion海峽沉管隧道進行抗震分析。張旭等[6]運用沉管接頭的非線性彈簧元簡化模型和三維有限元建模,計算得到沉管接頭在地震作用下的變形和內力響應情況。Klyomlya[7]通過分析日本沉管隧道抗震設計,提出采用柔性接頭的建議。白龍等[8]利用ABAQUS有限元軟件,考慮地基土層的初始應力和地基無限域的輻射阻尼效應影響,對港珠澳沉管隧道接頭部位進行應力和位移研究。徐笑然等[9]考慮接頭GINA止水帶的橡膠材料特性、場地的初始地應力平衡以及上覆動水壓力作用等,分析水平及豎向地震作用下沉管隧道三維動力反應。陳紅娟等[10]利用有限元-無限元相結合的方法,研究不同連接剛度條件下沉管隧道不同接頭處的動力響應特性。陳慶等[11]通過分析砂層內超孔隙水壓力、有效應力、沉管結構變位以及沉管底部樁基內力和變形等,研究土體液化程度大小及對沉管結構與樁基受力的影響。

目前,對于沉管隧道的抗震研究大部分是沉管隧道或是沉管隧道-土體系統分析。而在沉管隧道下面有樁基礎卻不多見,并且在接頭部位考慮設置剪力桿更是少之又少了。本文利用某海底隧道工程北岸岸邊段的基本資料,結合ANSYS有限元軟件,在罕遇地震條件下對某海底隧道結構主應力分布、變形、樁內力以及管節相對位移等進行綜合分析。

1 工程概況

某海底隧道建設工程北岸岸邊段為隧道北登陸點,其由隧道主體及防護結構組成,防護結構為重力式沉箱結構,分臨時性和永久性兩種。其施工期為止水圍堰,滿足隧道主體澆筑,施工結束后間隔拆除沉箱,同時臨時沉箱處隧道為樁基片墻基礎,在防護結構沉箱間形成通水通道。平面布置如圖1所示。

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

北岸岸邊段隧道起點樁號為主K0+355,暗埋段終點樁號為主K0+404,至K0+785處設置北岸沉管暗埋分界點。研究選取Z7節段為主要研究對象,里程樁號為主K0+577.371～主K0+607.371。根據工程地質報告,該場地地層主要有淤泥、粉質黏土、中風化白云巖等。場地與沉管隧道樁基礎接觸主要以中風化白云巖為主。

2 計算模型

2.1 三維有限元模型

采用ANSYS有限元計算軟件對某海底隧道建設工程隧道北岸岸邊段進行數值模擬分析。北岸段沉管結構抗震分析所用坐標系定義:Y軸正向為豎直向上(高程坐標軸),坐標y= 0.0 m位于標高9.78 m處,北岸段沉管結構底部,Z軸為隧道軸線方向,X軸為與隧道軸線垂直方向。

如圖2所示,模型Z軸取77 m,X軸取183 m,Y軸取56 m。建立的三維模型主要由土體、沉管隧道、樁基、沉箱五部分組成。沉管隧道主要由3個管節組成,總長度為75 m,寬度為43.5 m,高度為12.35 m,外墻壁厚1 m,上下壁厚1.4 m,樁基直徑為1 m。

圖2 隧道-土體-樁基-沉箱三維有限元模型Fig.2 Three-dimensional finite element model of tunnel-soil-pile-caisson

模型采用實體單元模擬,大部分為六面體單元,少部分用三棱柱及四面體適應局部復雜的結構形狀或作過渡之用。綜合考慮計算量情況,研究中取地基單元尺寸不超過5 m,結構單元尺寸不超過2 m,在0.2～2 m之間。整體模型網格劃分為309 975個單元,338 544個節點(圖3)。

圖3 抗震分析模型局部-結構與樁基部分Fig.3 Part-structure and pile foundation of seismic analysis model

2.2 管節接頭的簡化模型和參數

沉管隧道相連管節接頭主要由中埋式止水帶、OMEGA止水帶及抗剪構件組成,其剖面如圖4所示。采用COMBIN39單元模擬止水帶和剪力桿,其中通過非線性F-D曲線模擬其物理力學性能。目前接頭剛度的取值尚無現成的公式或圖表可循,一般是通過經驗估計或建立三維數值模型計算得到。本文采用同濟大學的《某海底隧道建設工程節段接頭剪力桿抗剪承載力試驗分析報告》(1)同濟大學.某海底隧道建設工程節段接頭剪力桿抗剪承載力試驗分析報告.上海:上海市隧道工程軌道交通設計研究院,2018.中的試驗數據。圖5所示為剪力桿的力-位移曲線。止水帶參考文獻[6]中的壓縮力-位移曲線定義非線性彈簧單元參數(圖6)。

圖4 管節接頭剖面Fig.4 Pipe joint profile

圖5 剪力桿的力-位移曲線Fig.5 Force-displacement curve of shear bar

圖6 止水帶的壓縮力-位移曲線Fig.6 Compression force-displacement curve of waterproof belt

2.3 地震波輸入

北岸岸邊段的抗震分析中,采用中國地震局地震安全評定委員會審查通過的《某海底隧道建設工程項目場地地震安全性評價》報告提供的基巖地震波開展動力時程分析。罕遇地震(50年超越概率2%)的水平向加速度取0.181g,豎直加速度取0.169g,縱向加速度取0.162g。其時程曲線如圖7所示。

圖7 地震動時程曲線Fig.7 Time history curve of ground motion

2.4 材料參數

根據委托單位提供的設計圖紙及工程場地地震安評資料,計算分析中采用沉管隧道主體、沉箱和樁的混凝土標號為C50,混凝土壓重的混凝土標號為C30,混凝土墊層的混凝土標號為C20。采用的混凝土參數依據《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)[12]選取?；炷良捌渌牧系撵o動力參數列于表1。

表1 抗震設計計算參數Table 1 Calculation parameters for seismic design

2.5 樁土相互作用分析

建立考慮樁-土相互作用的北岸岸邊段地震響應分析模型。在分析模型中,選用無厚度接觸單元對樁土間的接觸效應進行描述[13],通過在人工邊界處設置黏彈性人工邊界來反映遠場地基輻射效應[14](圖8)。

圖8 樁-地基相互作用計算模型Fig.8 A computational model of pile-foundation interaction

2.6 動水壓力的模擬

選取的沉管隧道模型大部分位于水下,但未全覆蓋,動水壓力主要作用在隧道周圍,通過節點附加動水質量與相應的加速度來考慮。對于取水建筑物外迎水面、墻體的墻前水域可視為無限遠時,按Westergaard公式[15]計算順流向地震動水壓力。其計算公式為:

(1)

式中:pw(h)為作用在直立迎水墻面水深h處的地震動水壓力代表值;ρw為水體質量密度標準值;H0為水深;ah水平向設計地震加速度代表值。

3 計算結果分析

3.1 結構主應力和變形分析

在地震作用條件下,隧道結構的第一主應力主要分布范圍為[-1.05 MPa,4.97 MPa],第三主應力主要分布范圍為[-7.54 MPa,0.02 MPa],如圖9所示。在隧道側墻以及頂板底板角緣處偶有出現應力集中情況,其最大主應力主要發生在沉箱銜接的混凝土板的接口處。隧道結構最大水平位移為17.57 mm,主要在樁基礎和隧道銜接處;豎向最大位移為8.33 mm,主要分布在沉箱段,如圖10。銜接部位材料若發生變化,則易造成應力集中和變形較大。隧道結構截面層間位移角為(1/2 083),滿足規范要求,且有一定的安全儲備。

圖9 結構整體應力云圖Fig.9 Overall stress nephogram of structure

圖10 結構整體位移云圖Fig.10 Overall displacement nephogram of structure

3.2 樁內力分析

為方便分析,將Z7節段樁基礎提取內力的樁進行編號,如圖11所示。為節省篇幅,僅給出6號樁基礎內力圖,如圖12所示,由結果可知,樁的軸力Fy的最大值為1 809.07 kN,位置為第6排樁的左側;剪力Fx的最大值為433.35 kN,位置為第7排樁的左側;剪力Fz的最大值為355.15 kN,位置為第3排樁的中間;彎矩My的最大值為135.70 kN·m,位置為第6排樁的右側;彎矩Mz的最大值為115.92 kN·m,位置為第2排樁的左側。進而,通過與樁的設計承載力進行對比分析,可滿足設計要求。

圖11 Z7節段樁基礎提取內力的樁編號示意圖Fig.11 Pile number diagram for extracting internal force from Z7 segment pile foundation

圖12 6號樁基礎內力圖Fig.12 Internal force diagram of pile foundation No.6

3.3 管節相對位移分析

基于沉管隧道的地震響應分析計算結果,對沉管隧道模型接頭處的相對位移進行分析。為方便分析,沉管隧道模型接頭編號如圖13所示,相對位移關鍵監測點位置示意如圖14所示。

圖13 沉管隧道模型接頭編號Fig.13 Model joint number of immersed tunnel

圖14 關鍵監測點位置Fig.14 Location of key monitoring points

如圖15所示為設防地震作用下沉管隧道1號和2號接頭處局部變形圖。不難發現,由于采用COMBIN39非線性單元來考慮了止水帶和剪力桿,在接頭處會有明顯的不均勻張開,能夠較合理考慮到柔性接頭影響。

圖15 模型接頭局部相對位移圖Fig.15 Local relative displacement of model joint

沉管隧道接頭三維數值模擬的重點是提取接頭止水帶的位移數據,觀察其變形,研究在地震作用下柔性接頭止水帶的位移及受力變形特點。為方便分析基于沉管隧道的地震響應分析計算結果,表2列出各接頭處關鍵監測點位置最大相對位移,圖16列出了罕遇地震條件下,1號接頭處關鍵監測點①的相對位移時程曲線。

圖16 1號接頭處關鍵監測點①的相對位移(單位:mm)Fig.16 Relative displacement of key monitoring point ① at joint 1 (Unit:mm)

表2 各接頭處關鍵監測點位置最大相對位移Table 2 Maximum relative displacement of key monitoring points ateach joint

從以上計算結果可以得出以下結論:在罕遇地震作用下,水平切向x的最大相對位移發生在1號接頭關鍵監測點①處,相對位移值為-0.76 mm;垂直切向y的最大相對位移發生在2號接頭關鍵監測點①處,相對位移值為0.50 mm;法向z的最大相對位移發生在1號接頭關鍵監測點①處,相對位移值為0.94 mm。

4 結論

本文立足于某海底隧道建設工程隧道——北岸岸邊段工程為背景,利用ANSYS軟件建立三維有限元分析模型,對整體隧道進行橫向和縱向地震響應分析,開展了罕遇地震作用下的抗震分析,主要結論如下:

(1) 北岸段沉管隧道側墻以及頂板底板角緣處偶有出現應力集中情況,建議設計部門在結構角緣處加強配筋。超過極限拉應力主要分布在沉箱銜接的混凝土板的接口處,這主要是由于接口處材料發生了變化,這些部位為結構的薄弱環節,需要進行配筋加強或提出相應的構造措施。

(2) 通過結構三維抗震分析,給出了沉管隧道層間位移,結果表明結構變形均小于規范限值,滿足規范要求。

(3) 依據管節接頭的相對位移分析,其位移較小,在合理范圍之內,滿足設置伸縮縫的要求。

(4) 所有接頭處止水帶的上部位移都比下部位移大,上部接頭更容易在地震作用下發生破壞。