强震、波浪、海流多场耦合作用下海底隧道、人工岛破坏机理研究

Large-scale offshore transport projects, such as undersea tunnels, are all in wave, ocean current and complex ocean geological environments. Moreover, our coastal is located in the active and strong Pacific seismic belt. Therefore, the research on the dynamic response and engineering safety of undersea tunnels and artificial islands under strong earthquakes are of great significance and urgent. However, the achievements on the damage mechanisms and failure modes of undersea tunnels and artificial islands under the multi-field coupling actions, such as the strong earthquake, wave, and ocean current, are not yet mature up to now. In recent years, we have been committed to the applied research work on the FEM strength reduction method. This method can not only show the tension and shear failure surfaces directly, but also can get the safety factors of structures. In this research, based on the FEM strength reduction method, against the structure and the mechanical characteristics of the undersea tunnels and artificial island slopes，we build up nonlinear dynamic FEM strength reduction method analysis models of seawater-ocean geological body-undersea tunnels system as well as artificial islands under the earthquake, wave and ocean current interactions together. On the basis of the above model, we research the computation methods of the dynamic FEM strength reduction method, explore the influencing laws of the typical ocean geological environment, ocean water pressure and dynamic effects of the ocean water on undersea tunnels and artificial islands, solve safety factors of undersea tunnel structures and artificial island slopes, and reveal the damage mechanisms and failure modes of undersea tunnels and artificial islands under the strong earthquake. Necessary tests will be conducted to verify the results of the strength reduction method.

海底隧道等近海重大交通工程处于波浪、海流及复杂海洋地质体等恶劣环境下，特别是我国沿海处于环太平洋地震带强震活跃区，开展强地震多场耦合作用下近海重大交通工程破坏问题及工程安全研究，意义重大而且迫切。目前，关于强地震多场耦合作用下海底隧道、人工岛破坏机理与失效模式的研究尚不成熟。近年来，课题组一直致力于有限元强度折减法的研究与应用。该方法不仅能显示破坏过程及拉、剪破坏面位置，还能求解结构安全系数。针对海底隧道、人工岛边坡的结构形式和受力特点，建立强地震多场耦合作用下海水－海洋工程地质体－海底隧道与人工岛边坡动力相互作用的非线性极限分析数值模型，研究动力有限元强度折减法分析计算方法，探索典型海洋工程地质环境、海水压力、海水动力效应等对海底隧道地震响应的影响规律，求解强震作用下海底隧道与人工岛的安全系数，揭示强震多场耦合作用下海底隧道与人工岛边坡的破坏机理与失效模式，并用必要的试验进行验证。

由于问题的复杂性，试验研究和理论分析海底隧道、人工岛边坡等强震失效模式和破坏演化过程，目前还难以有效实现。课题组提出采用基于强度折减法的极限数值分析方法研究这一问题，并开展了必要的试验研究工作。提出了隧道、人工岛边坡结构基于极限剪应变值的强度折减法数值分析破坏判据，建立了地震作用下海水－海洋工程地质体－海底隧道、人工岛边坡相互作用的极限分析数值计算模型；开展了沉管隧道、暗挖隧道衬砌结构破坏试验，及抗滑桩、锚杆、减震支护抗滑桩等加固边坡的振动台模型试验；分析了海底隧道地震动力响应的影响因素，研究了强震作用下海底隧道、人工岛边坡的动力响应、破坏模式及其演化过程，得到了地震破坏时相应的安全系数。本文条件下的试验、计算分析结果表明：（1）本文提出的地震作用下海底隧道、人工岛边坡的强度折减法数值计算模型，能够揭示强震多场耦合作用下海底隧道、人工岛边坡的破坏位置、破坏模式及其演化过程，得到相应的安全系数。（2）海水深度、围岩性质、埋深等对海底隧道地震动力响应与破坏模式均有重要影响。埋深不同，隧道拱效应的抗力作用与作用在衬砌上荷载的主导作用不断变化。强震作用下，微风化围岩隧道侧墙中部首先发生破坏，而全强风化围岩隧道拱脚首先发生破坏。（3）断层隧道容易出现裂缝的破坏位置主要在拱脚左、右两侧以及拱圈底部和顶部两侧，衬砌裂缝均为拉裂所致。在强震、海水及淤泥荷载的共同作用下，沉管顶板两端的素混凝土会产生拉伸、剪切破坏，钢筋混凝土产生剪切破坏，得到了沉管隧道和暗挖隧道地震局部破坏、整体破坏时对应的安全系数。（4）对于有桩和锚杆联合支护的边坡而言，由于锚杆对地震拉应力的抵抗作用，坡体一般先在坡脚处先产生剪切滑移裂缝。随着地震动作用继续增大，坡顶出现张拉裂缝。分别得到了人工岛高水位和低水位时地震破裂面位置和对应的动力安全系数。（5）沉管段接头在地震作用下主要以竖向相对变形为主，管段接头最终破坏由竖向错动引起。整体破坏时管节结构主要发生受剪破坏和受拉破坏，其中受拉破坏主要集中于管节顶板、底板的内侧中部及侧板外侧。本项目研究成果可为我国近海重大交通工程建设和运营的地震安全评价与减震控制提供重要参考，也为类似问题的解决开辟了新途径。