水下悬浮隧道中的桩基拔出力学特性研究

1、水下悬浮隧道中的桩基拔出力学特性研究xinghong jiang, ke li摘要：水下悬浮隧道是一种结构复杂、施工要求高的新型隧道。长期以來，理论研究一直没冇应用实例。 抗拔桩是一种具有重要研究意义的浮式隧道结构基础。本文从浮隧道电缆的布置形式，对在水中悬浮隧道 桩基础的受力特点分析；结合数值模拟对桩基础的承载力和位移曲线变化特征分析（q s曲线）下不同的 倾向。分析了极限状态下土体变形、塑性破坏区分布及其相关原因。得出不同倾角的位移作用下的承载力 包络illi线，以及结论300电缆布置的硏究成果具冇一定的指导意义的电缆排列角度浮隧道设置和桩基加固 处理合适的温度。关键词：浮式隧道；抗拔桩；

2、位移倾角；极限承载力1介绍水下悬浮隧道也被称为“阿基米德桥”，管状结构悬浮在水屮，在适当的深度，主要用于连 接海峡、海湾、湖泊和其他管。浮式隧道作为一种新型的隧道结构，具有经济效益好、对外 界环境影响小、污染少等优点，可作为水、电、通讯等管道。悬浮隧道，但仍处于研究阶段， 由于水下环境复杂，施工要求高。当隧道管的浮力大于重力时，釆用张拉形式、腿熨或桩柱结构形式作为反力结构，是保持隧 道稳左的基础。与压桩比较，抗拔桩应用范围较窄，研究成果较少，仅限于输电塔基础、桥 梁基础、基坑工程、地下工程等管道。浮隧道的桩身倾斜张力的研究成果更是稀疏，在数值 模拟的基础上，本文对桩的承载特性不同的斜拉加载条件

3、下与在淮河河上游的抗拔试验结果 灌注桩在城西湖参考研究。在抗拔桩设计中，水中悬浮隧道桩基拔出力学特性研究，研究成 果对浮动隧道张力腿布置形式的优化及参数设置具有一左的指导意义。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.电缆布置形式冇多种形式的电缆布置在浮动隧道，但基本的横向和纵向安排可以概括为图1。有两种横向 电缆布置，即直拉索布置（a型）和斜拉索布置（type b）。当电缆垂直排列，垂直荷载抵 抗垂直和水平荷载通过锚索抗通过管道本身的电阻在拱形悬浮隧道水平排列或水平锚索在 银行端电缆布置形式需要相当稳定的环境条件和固定的洋流的方向；当环境条件差和海流方 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。垂直构件抵抗浮力, 水平构件抵抗坏境效应产生的水平力。纵向电缆布置形式包

7、括单缆布置（a型）和扇形电缆布置（type b）,如图1 图3所示。单索形式为锚索与基础相匹配，这种形式具有一定的力传递模式，弹性支撑空间较大，隧道 管弯矩较人。因此，对隧道管的施工要求较高，但地基只承受锚索的荷载，因此对基础施工 的要求也随z降低。扇形电缆布置形式为基础的熊多锚索和电缆隧道管内沿扇形。扇形电缆 布置方式缩小了弹性支座的空间，降低了隧道管的弯矩值，从而降低了施工隧道管道要求。 另一方面，由于基础承受多个锚索的荷载，要求地基具有足够的承载力，从而提高基础的施 工成本。typea(a)(b)fig i. cable arrangmut form of floating tunnel

8、s (a； transversal fonn, (b) longitudinal form在复杂水域内修建隧道时，必须选择倾斜和扇形布置形式。在斜拉应力作用下，桩基础结构 受力特性的变化会导致桩土相互作用的变化规律。基于竖向荷载效应的抗拔桩的研究成果不 能直接应用于浮式隧道，需要进行具体分析。3.桩土相互作用特性的计算3.1.本构关系在模拟计算过程中，应适当简化模型。认为在锚索荷载作用下，桩体处于弹性阶段，符合各 向同性弹性准则；淹没在浮置隧道中的抗拔桩的地层被认为是饱和软土。研究表明，采用 mohr coulomb破坏准则的理想弹塑性本构模型能够反映土层的特性。mohr coulomb模型的

9、 剪切破坏准则如图2 (a)所示，剪切、拉伸破坏函数如公式(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本构模型接口flac3d小的接口是片面的，在计算过程中，每个接口元素顶点自动生成接

10、口节点。当另一 个网格面接触到一个界面元件时，在接口节点上检测到接触，其特征在于正常和剪切刚度, 在计算时间（ +山。的关系确定的滑动特性。粘结界面本构模型的组成部分如图2 （b）所 示o严= w+m（4）叫询+灿严咖（5）3. 3模型与边界条件对隧道开挖进行模拟时，在垂直和斜拉应力作用下的有限差分模型图分别如图3所示（a） 和（b）,网格划分如图所示（c）。在不同的计算模式，在所有层的土体被认为是按照mohrcoulomb破坏准则。桩身为钢筋混凝土结构，符合完全弹性模型。桩土参数如表1所示。采 用接触单元实现桩土相互作用，采用flac3d软件用户手册推荐方法获取接触单元参数。在 计算模型，桩的长度为14m,直径为1. 2m,周围的土壤为12m和垂直深度为30m,横向半径。 在仿真过程中，将恒速位移边界条件的施加在桩体；约朿模态选择土层边界固定设置底边界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写ij3 i 莠<w e2h3f w5f05冷