沉管隧道地震响应机理分析及其数值分析方法研究

Immersed Tunnel has been gradually used in sea (river)-crossing engineering projects. However, the earthquake response analysis of the superjacent waters on immersed tunnel is still not fully considered. Under the seismic action, the superjacent waters has a significant impact on the pressure on immersed tube tunnel, dynamic characteristics of sand foundation and seabed, and laws of propagation seismic wave. This project aims to analyze the fluid-solid coupling dynamic on immersed tunnel in water environment under seismic action. Three scientific problems are resolved in the project as following: the dynamic characteristics of seismic wave and the treatment method of artificial boundary; the sand-water two phase flow dynamic model and dynamic model of seabed; the improving test method of shaking table test and similarity ratio of material. The following results are expected to get by studying this project: dynamic finite element analysis method of immersed tunnel in water environment; the failure mechanism of immersed tunnel foundation system under seismic action; the seismic response rule of stress and strain of the joint and tube. Furthermore, this project can provide the theoretical basis and technical support for study on seismic immersed tunnel, and has important scientific significance and application value.

沉管隧道正逐渐被跨江（海）工程所运用，但目前就沉管隧道的地震响应分析仍未完全考虑沉管隧道上层水域的影响，而水域环境在地震作用时对沉管隧道上层覆盖压力、砂基础与基床土动力特性以及地震波的传播规律均有重大的影响。本项目拟对水域环境中的沉管隧道进行流-固耦合动力分析，重点解决三个科学问题：地震波在水域人工边界的动力特性以及边界处理方法；砂土-水二相流动力模型和基床土动力模型；振动台试验中试验方法的改进以及试验材料相似比问题。通过本项目的研究，可望得到沉管隧道在水域环境下的动力有限元分析方法，探明地震作用时沉管隧道基础与地基系统的失效机理，得出沉管隧道结构和管节接头应力、应变的地震响应规律。进而，为我国沉管隧道抗震研究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。

沉管隧道正逐渐被跨江（河）工程所运用，但目前就沉管隧道的地震响应分析仍未完全考虑沉管隧道上层水域的影响，而水域环境在地震作用时对沉管隧道上层覆盖压力、砂基础与基床土动力特性以及地震波的传播规律均有重大的影响。同时目前针对沉管隧道地震响应机理以及减隔震技术仍处于探索阶段。.因此本项目依托上述背景，围绕以下两个方面开展研究工作：（1）沉管隧道在水域环境下的动力有非线性限元分析方法，并对隧道动力影响因素开展了讨论；（2）地震作用下沉管隧道失效机理，沉管隧道结构和管节接头应力、应变的地震响应规律。.项目基于数值模拟及振动台模型试验研究方法，得到了如下一些规律和认识：.（1）随着海床土剪切波速的增加，隧道周围海床土孔隙水压力在增加，而环向剪应力与环向正应力的变化趋势不同，隧道所在土层的性质较好，其所受到的正向应力越小；.（2）随着海床土渗透系数的增加，隧道周围海床土孔隙水压力在增加，但对隧道环向剪应力与环向正应力影响较小；.（3）随着隧道埋深的增加，隧道周围海床土孔隙水压力先减小后增加，但对隧道的环向剪应力与环向正应力影响较小，因此从海底隧道的施工难易和工程的成本来说，海底隧道应适当减小埋深；.（4）地震动的入射角对隧道内应力和隧道附近土层的孔隙水压力影响较大；.（5）刚性隧道结构上加速度要小于柔性隧道结构加速度，且此作用效应随加速度幅值增加而趋于显著，柔性隧道各隧道管节对应位置处应变量明显大于刚性隧道应变量，柔性隧道在适当的场地中具有减震效果；.（6）在较小地震动作用下，场地均有一定的振密作用，而当输入地震动较大时，饱和场地由于水的存在而液化，非饱和砂土场地大震作用时由于其剪胀作用，其场地中加速度有所减小，结构应变更大。