沉管隧道地震灾变机理及控制方法研究

The immersed tunnel has merits of short construction period and low cost, and thus has been frequently employed as transportation mean for crossing river and ocean. Its damage mechanism is extremely complicated under highly-varying environment in river or ocean in which many factors may have influences. This project aims to solve two following scientific problems: (a) dynamic analysis of a breakstone foundation.of the immersed tunnel, and (b) mitigation mechanism of the immersed tunnel under complex environment. An equivalent dynamic foundation model is proposed based on tri-axial tests of seabed soft soil, breakstones foundation, and pile foundation. A method is established for the dynamic analysis of the breakstone foundation of the immersed tunnel based on shaking table tests. A nonlinear dynamic simulation model is proposed in this project for calculating nonlinear behaviors of immersed tunnel under highly-varying environment, along with a key technique of non-uniform input of earthquake action. Together with laboratory tests with multiple shaking tables, the dynamic mechanism of immersed tunnel is uncovered. A vibration-control technique is also developed by the introduction of damper elements and components, based on which several mitigation measures are put forward, forming a control theory of earthquake induced disaster of the immersed tunnel. Results of this project lay a solid theoretical foundation and offers technical supports for the earthquake mitigation of immersed tunnel. Thus, this project has significant theoretical and engineering values for the application of immersed tunnel.

沉管隧道具有施工周期短、造价低等优点，现被广泛地运用于跨江（海）工程中，复杂水域环境下沉管隧道地震灾变机理十分复杂，影响因素多。本项目将围绕“沉管隧道碎石基础动力分析方法、复杂基础条件下沉管隧道减隔震控制机制”两个科学问题，开展以下研究工作：针对海床软土、碎石基础以及桩基复合地基开展动三轴试验，提出基础动力数值等效模型，开展相应的振动台试验，建立沉管隧道碎石基础动力分析方法；解决非一致地震动力输入关键技术，提出复杂地基条件下沉管隧道动力非线性数值分析方法；整理沉管隧道数值分析成果，开展沉管隧道非一致激励振动台台阵试验，共同揭示沉管隧道地震灾变机理；理清复杂基础条件下沉管隧道减隔震控制机制，开展隧道基础动力特性及耗能构件的力学性能研究，构建沉管隧道地震灾变控制理论体系，并提出减隔震控制方法。进而，为沉管隧道减隔震技术提供理论依据和技术支持，具有重要的科学意义和应用价值。

沉管隧道具有施工周期短、造价低等优点，现被广泛地运用于跨江（海）工程中，复杂水域环境下沉管隧道地震灾变机理十分复杂，影响因素多。项目针对现阶段沉管隧道地震响应机理及减隔震控制技术等关键问题，开展了沉管隧道复杂基础的动三轴试验研究，揭示了场地基础的动力特性，提出了场地及回填基础的动三轴动力本构模型，建立了包含回填材料、柔性接头的多质点-弹簧-梁模型反应位移动力分析方法，并开展了沉管隧道振动台试验研究，结合数值与试验结果揭示了沉管隧道地震响应机理，研发了基于回填基础材料的沉管隧道减隔震控制技术。项目主要研究成果包括：① 针对沉管隧道施工环境中碰到的复杂场地条件及回填基础等问题，组织了现场取土，并进行了软土三轴试验以及回填碎石基础动三轴试验，得到了淤泥质土及碎石淤泥土样的动强度、阻尼比参数，提出了相应的本构模型参数，为数值分析及试验提供支持。② 结合多质点-弹簧-梁模型与纵向反应位移法，建立了场地自由场模型和三维结构模型，通过改变基槽回填材料基本性质的形式，初步探究了回填材料包裹下的沉管隧道动力响应机理与特性。该数值模型与计算方法能够使自由场做出适时合理地响应，并可以准确地将地震动从自由场过渡到隧道结构，令隧道结构出现内力分布不均与接头过度张拉等情况。③ 基于沉管隧道数值分析结果，建立了沉管隧道抗震振动台试验模型，揭示了上覆水、场地不均匀等条件下沉管隧道的地震响应情况，同时揭示了柔性接头对沉管隧道管段之间的相对运动存在重要作用，为数值与减震技术提供支持。④ 依托试验与数值分析结果，提出了橡胶砂回填基础的减震措施，并对其响应的施工工法提出了具体要求。项目的实施可为沉管隧道减隔震技术提供理论依据和技术支持，具有重要的科学意义和应用价值。