水下懸浮隧道中的樁基拔出力學特性研究

1、水下懸浮隧道中的樁基拔出力學特性研究xinghong jiang, ke li摘要：水下懸浮隧道是一種結構復雜、施工要求高的新型隧道。長期以來，理論研究一直沒冇應用實例。 抗拔樁是一種具有重要研究意義的浮式隧道結構基礎。本文從浮隧道電纜的布置形式，對在水中懸浮隧道 樁基礎的受力特點分析；結合數(shù)值模擬對樁基礎的承載力和位移曲線變化特征分析（q s曲線）下不同的 傾向。分析了極限狀態(tài)下土體變形、塑性破壞區(qū)分布及其相關原因。得出不同傾角的位移作用下的承載力 包絡illi線，以及結論300電纜布置的硏究成果具冇一定的指導意義的電纜排列角度浮隧道設置和樁基加固 處理合適的溫度。關鍵詞：浮式隧道；抗拔樁；

2、位移傾角；極限承載力1介紹水下懸浮隧道也被稱為“阿基米德橋”，管狀結構懸浮在水屮，在適當?shù)纳疃?，主要用于連 接海峽、海灣、湖泊和其他管。浮式隧道作為一種新型的隧道結構，具有經濟效益好、對外 界環(huán)境影響小、污染少等優(yōu)點，可作為水、電、通訊等管道。懸浮隧道，但仍處于研究階段， 由于水下環(huán)境復雜，施工要求高。當隧道管的浮力大于重力時，釆用張拉形式、腿熨或樁柱結構形式作為反力結構，是保持隧 道穩(wěn)左的基礎。與壓樁比較，抗拔樁應用范圍較窄，研究成果較少，僅限于輸電塔基礎、橋 梁基礎、基坑工程、地下工程等管道。浮隧道的樁身傾斜張力的研究成果更是稀疏，在數(shù)值 模擬的基礎上，本文對樁的承載特性不同的斜拉加載條件

3、下與在淮河河上游的抗拔試驗結果 灌注樁在城西湖參考研究。在抗拔樁設計中，水中懸浮隧道樁基拔出力學特性研究，研究成 果對浮動隧道張力腿布置形式的優(yōu)化及參數(shù)設置具有一左的指導意義。nomenclatureccohesion<pfriction(oigletensile strengththe maxunum value of tensile strength5 6,6 principal stresses,(7, < <r2 < <r3sslidertstensile strengths$shear strengthddilationksshear stiffiies

4、saz 0 3normal stiffiiess the normal force at time (t+af) the shear force vector al time (t+at) the absolute normal penetration of the interface node into the target face the incremental relative shear displacement vector the additional normal stress added(hie io interface stress initialization the n

5、ormal stiffiiess the shear stiffiiess the adchtional shear stress vector due to interface stress initialization the representative area associated w ith the interface node shear stress of the h contact grid in the depth range of pile body diameter of uplift pile height dijerence of the b contact ele

6、ment grid displacement action angle displacement ofphe top2.電纜布置形式冇多種形式的電纜布置在浮動隧道，但基本的橫向和縱向安排可以概括為圖1。有兩種橫向 電纜布置，即直拉索布置（a型）和斜拉索布置（type b）。當電纜垂直排列，垂直荷載抵 抗垂直和水平荷載通過錨索抗通過管道本身的電阻在拱形懸浮隧道水平排列或水平錨索在 銀行端電纜布置形式需要相當穩(wěn)定的環(huán)境條件和固定的洋流的方向；當環(huán)境條件差和海流方 向是斜拉索布置形式采用待定。斜拉索可以提供水平和垂直方向的分力。垂直構件抵抗浮力, 水平構件抵抗壞境效應產生的水平力?？v向電纜布置形式包

7、括單纜布置（a型）和扇形電纜布置（type b）,如圖1 圖3所示。單索形式為錨索與基礎相匹配，這種形式具有一定的力傳遞模式，彈性支撐空間較大，隧道 管彎矩較人。因此，對隧道管的施工要求較高，但地基只承受錨索的荷載，因此對基礎施工 的要求也隨z降低。扇形電纜布置形式為基礎的熊多錨索和電纜隧道管內沿扇形。扇形電纜 布置方式縮小了彈性支座的空間，降低了隧道管的彎矩值，從而降低了施工隧道管道要求。 另一方面，由于基礎承受多個錨索的荷載，要求地基具有足夠的承載力，從而提高基礎的施 工成本。typea(a)(b)fig i. cable arrangmut form of floating tunnel

8、s (a； transversal fonn, (b) longitudinal form在復雜水域內修建隧道時，必須選擇傾斜和扇形布置形式。在斜拉應力作用下，樁基礎結構 受力特性的變化會導致樁土相互作用的變化規(guī)律?；谪Q向荷載效應的抗拔樁的研究成果不 能直接應用于浮式隧道，需要進行具體分析。3.樁土相互作用特性的計算3.1.本構關系在模擬計算過程中，應適當簡化模型。認為在錨索荷載作用下，樁體處于彈性階段，符合各 向同性彈性準則；淹沒在浮置隧道中的抗拔樁的地層被認為是飽和軟土。研究表明，采用 mohr coulomb破壞準則的理想彈塑性本構模型能夠反映土層的特性。mohr coulomb模型的

9、 剪切破壞準則如圖2 (a)所示，剪切、拉伸破壞函數(shù)如公式(1)和(3)所示。l-sin (?)» z / z / i5 = sh如ti s tn$m strengthsa = shtar strtngthd « dilationki = shear6 l/onnal stiffiu(a)(b)fig 2 (a) mohr-coulomb failure cntenon. (b) components of the bonded interface constitutive model3. 2本構模型接口flac3d小的接口是片面的，在計算過程中，每個接口元素頂點自動生成接

10、口節(jié)點。當另一 個網(wǎng)格面接觸到一個界面元件時，在接口節(jié)點上檢測到接觸，其特征在于正常和剪切剛度, 在計算時間（ +山。的關系確定的滑動特性。粘結界面本構模型的組成部分如圖2 （b）所 示o嚴= w+m（4）叫詢+燦嚴咖（5）3. 3模型與邊界條件對隧道開挖進行模擬時，在垂直和斜拉應力作用下的有限差分模型圖分別如圖3所示（a） 和（b）,網(wǎng)格劃分如圖所示（c）。在不同的計算模式，在所有層的土體被認為是按照mohrcoulomb破壞準則。樁身為鋼筋混凝土結構，符合完全彈性模型。樁土參數(shù)如表1所示。采 用接觸單元實現(xiàn)樁土相互作用，采用flac3d軟件用戶手冊推薦方法獲取接觸單元參數(shù)。在 計算模型，樁的長度為14m,直徑為1. 2m,周圍的土壤為12m和垂直深度為30m,橫向半徑。 在仿真過程中，將恒速位移邊界條件的施加在樁體；約朿模態(tài)選擇土層邊界固定設置底邊界13 1q £ w<* ib <* 一coli«ivtforce 1ip1)k一elubatylss poissm1 (lffa)s ratioa=>冷<»sl 一宅<epsm=>p rs .2 =§ 8<9<=>曰j_ > o0w之pw:寸clay*y soil寫ij3 i 莠<w e2h3f w5f05冷