考慮樁-土相互作用的某海底隧道岸邊段結(jié)構(gòu)抗震性能分析研究

尹訓(xùn)強(qiáng),蔣園豪,趙 杰,王桂萱

(大連大學(xué)土木工程技術(shù)研究與開發(fā)中心,遼寧 大連 116622)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷增長以及沿海、沿江城市交通發(fā)展的需要,水下隧道工程建設(shè)的迫切性不斷提高。建設(shè)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(shè)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(jīng)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(fā)展迅速。舉世矚目的港珠澳大橋是當(dāng)今世界上最長、規(guī)模最大、技術(shù)最復(fù)雜、標(biāo)準(zhǔn)最高的海底公路沉管隧道[2]。我國處于環(huán)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(xiàn)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(shù)值方法來研究。Jun-Hong Ding等[3]對上海沉管隧道進(jìn)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(xì)的柔性接頭,模型節(jié)點數(shù)和單元數(shù)超過百萬。Oorsouw[4]分析不同接頭形式在地震作用下的力學(xué)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(jìn)行抗震分析。張旭等[6]運(yùn)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(nèi)力響應(yīng)情況。Klyomlya[7]通過分析日本沉管隧道抗震設(shè)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(yīng)力和地基無限域的輻射阻尼效應(yīng)影響,對港珠澳沉管隧道接頭部位進(jìn)行應(yīng)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(yīng)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(yīng)。陳紅娟等[10]利用有限元-無限元相結(jié)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(yīng)特性。陳慶等[11]通過分析砂層內(nèi)超孔隙水壓力、有效應(yīng)力、沉管結(jié)構(gòu)變位以及沉管底部樁基內(nèi)力和變形等,研究土體液化程度大小及對沉管結(jié)構(gòu)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(tǒng)分析。而在沉管隧道下面有樁基礎(chǔ)卻不多見,并且在接頭部位考慮設(shè)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(jié)合ANSYS有限元軟件,在罕遇地震條件下對某海底隧道結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分布、變形、樁內(nèi)力以及管節(jié)相對位移等進(jìn)行綜合分析。

1 工程概況

某海底隧道建設(shè)工程北岸岸邊段為隧道北登陸點,其由隧道主體及防護(hù)結(jié)構(gòu)組成,防護(hù)結(jié)構(gòu)為重力式沉箱結(jié)構(gòu),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(jié)束后間隔拆除沉箱,同時臨時沉箱處隧道為樁基片墻基礎(chǔ),在防護(hù)結(jié)構(gòu)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(shè)置北岸沉管暗埋分界點。研究選取Z7節(jié)段為主要研究對象,里程樁號為主K0+577.371～主K0+607.371。根據(jù)工程地質(zhì)報告,該場地地層主要有淤泥、粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化白云巖等。場地與沉管隧道樁基礎(chǔ)接觸主要以中風(fēng)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(shè)工程隧道北岸岸邊段進(jìn)行數(shù)值模擬分析。北岸段沉管結(jié)構(gòu)抗震分析所用坐標(biāo)系定義:Y軸正向為豎直向上(高程坐標(biāo)軸),坐標(biāo)y= 0.0 m位于標(biāo)高9.78 m處,北岸段沉管結(jié)構(gòu)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(jié)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(yīng)局部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)單元尺寸不超過2 m,在0.2～2 m之間。整體模型網(wǎng)格劃分為309 975個單元,338 544個節(jié)點(圖3)。

圖3 抗震分析模型局部-結(jié)構(gòu)與樁基部分Fig.3 Part-structure and pile foundation of seismic analysis model

2.2 管節(jié)接頭的簡化模型和參數(shù)

沉管隧道相連管節(jié)接頭主要由中埋式止水帶、OMEGA止水帶及抗剪構(gòu)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(xué)性能。目前接頭剛度的取值尚無現(xiàn)成的公式或圖表可循,一般是通過經(jīng)驗估計或建立三維數(shù)值模型計算得到。本文采用同濟(jì)大學(xué)的《某海底隧道建設(shè)工程節(jié)段接頭剪力桿抗剪承載力試驗分析報告》(1)同濟(jì)大學(xué).某海底隧道建設(shè)工程節(jié)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(shè)計研究院,2018.中的試驗數(shù)據(jù)。圖5所示為剪力桿的力-位移曲線。止水帶參考文獻(xiàn)[6]中的壓縮力-位移曲線定義非線性彈簧單元參數(shù)(圖6)。

圖4 管節(jié)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(shè)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(shù)

根據(jù)委托單位提供的設(shè)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(biāo)號為C50,混凝土壓重的混凝土標(biāo)號為C30,混凝土墊層的混凝土標(biāo)號為C20。采用的混凝土參數(shù)依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)[12]選取?；炷良捌渌牧系撵o動力參數(shù)列于表1。

表1 抗震設(shè)計計算參數(shù)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(yīng)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(yīng)進(jìn)行描述[13],通過在人工邊界處設(shè)置黏彈性人工邊界來反映遠(yuǎn)場地基輻射效應(yīng)[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(jié)點附加動水質(zhì)量與相應(yīng)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(yuǎn)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(zhì)量密度標(biāo)準(zhǔn)值;H0為水深;ah水平向設(shè)計地震加速度代表值。

3 計算結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)主應(yīng)力和變形分析

在地震作用條件下,隧道結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力主要分布范圍為[-1.05 MPa,4.97 MPa],第三主應(yīng)力主要分布范圍為[-7.54 MPa,0.02 MPa],如圖9所示。在隧道側(cè)墻以及頂板底板角緣處偶有出現(xiàn)應(yīng)力集中情況,其最大主應(yīng)力主要發(fā)生在沉箱銜接的混凝土板的接口處。隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移為17.57 mm,主要在樁基礎(chǔ)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(fā)生變化,則易造成應(yīng)力集中和變形較大。隧道結(jié)構(gòu)截面層間位移角為(1/2 083),滿足規(guī)范要求,且有一定的安全儲備。

圖9 結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力云圖Fig.9 Overall stress nephogram of structure

圖10 結(jié)構(gòu)整體位移云圖Fig.10 Overall displacement nephogram of structure

3.2 樁內(nèi)力分析

為方便分析,將Z7節(jié)段樁基礎(chǔ)提取內(nèi)力的樁進(jìn)行編號,如圖11所示。為節(jié)省篇幅,僅給出6號樁基礎(chǔ)內(nèi)力圖,如圖12所示,由結(jié)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(cè);剪力Fx的最大值為433.35 kN,位置為第7排樁的左側(cè);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(cè);彎矩Mz的最大值為115.92 kN·m,位置為第2排樁的左側(cè)。進(jìn)而,通過與樁的設(shè)計承載力進(jìn)行對比分析,可滿足設(shè)計要求。

圖11 Z7節(jié)段樁基礎(chǔ)提取內(nèi)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(chǔ)內(nèi)力圖Fig.12 Internal force diagram of pile foundation No.6

3.3 管節(jié)相對位移分析

基于沉管隧道的地震響應(yīng)分析計算結(jié)果,對沉管隧道模型接頭處的相對位移進(jìn)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(guān)鍵監(jiān)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(guān)鍵監(jiān)測點位置Fig.14 Location of key monitoring points

如圖15所示為設(shè)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(fā)現(xiàn),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(shù)值模擬的重點是提取接頭止水帶的位移數(shù)據(jù),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(yīng)分析計算結(jié)果,表2列出各接頭處關(guān)鍵監(jiān)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(guān)鍵監(jiān)測點①的相對位移時程曲線。

圖16 1號接頭處關(guān)鍵監(jiān)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(guān)鍵監(jiān)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(jié)果可以得出以下結(jié)論:在罕遇地震作用下,水平切向x的最大相對位移發(fā)生在1號接頭關(guān)鍵監(jiān)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(fā)生在2號接頭關(guān)鍵監(jiān)測點①處,相對位移值為0.50 mm;法向z的最大相對位移發(fā)生在1號接頭關(guān)鍵監(jiān)測點①處,相對位移值為0.94 mm。

4 結(jié)論

本文立足于某海底隧道建設(shè)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(jìn)行橫向和縱向地震響應(yīng)分析,開展了罕遇地震作用下的抗震分析,主要結(jié)論如下:

(1) 北岸段沉管隧道側(cè)墻以及頂板底板角緣處偶有出現(xiàn)應(yīng)力集中情況,建議設(shè)計部門在結(jié)構(gòu)角緣處加強(qiáng)配筋。超過極限拉應(yīng)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(fā)生了變化,這些部位為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),需要進(jìn)行配筋加強(qiáng)或提出相應(yīng)的構(gòu)造措施。

(2) 通過結(jié)構(gòu)三維抗震分析,給出了沉管隧道層間位移,結(jié)果表明結(jié)構(gòu)變形均小于規(guī)范限值,滿足規(guī)范要求。

(3) 依據(jù)管節(jié)接頭的相對位移分析,其位移較小,在合理范圍之內(nèi),滿足設(shè)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(fā)生破壞。