Influencing factors for seismic responds of a subsea tunnel
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摘要:
本文基于Biot动力固结理论和弹性动力学理论，考虑海床（土壤）的两相性、黏弹性人工边界及流（水）-固耦合作用，建立了隧道-土-流体相互作用的力学模型，讨论了P波作用下有无水的情况以及水深、水域隧道埋深、海床土性质和地震波入射角等因素对隧道及其周围海床应力的影响。结果表明：隧道周围海床土的孔隙水压力和隧道内应力随着水深的增加而增加；地震波特性和海床土特性对隧道的内应力和海床土的孔隙水压力均有较大的影响；海床土的渗透性和隧道埋深对隧道的内应力影响较小，而对隧道周围海床土的孔隙水压力影响较大；地震动的入射角对隧道的内应力和隧道附近土层的孔隙水压力均有较大影响。
Abstract:Under the action of an earthquake, a sea tunnel is subjected to hydrodynamic pressure, so it is of great significance to study the dynamic response of sea tunnel under the combined action of earthquake and hydrodynamic pressure. Based on Biot’s theory of dynamic consolidation and elastodynamics theory, this paper established a mechanical model of tunnel-soil-fluid interaction by considering the two-phase property of seabed （soil） and the viscoelastic artificial boundary and the action of fluid （water）-structure interaction, and then discussed how the tunnel and its surrounding seabed are affected by the condition with or without water, and the depth of water, the buried depth of the tunnel, the nature of the seabed soil and change of incident angle. The results show that: ① the pore water pressure of the seabed soil and the internal stress of the tunnel increase with water depth increasing; ② different seismic wave and seabed soil characteristics have a great impact on the internal stress of the tunnel and the pore water pressure; ③ the permeability of seabed soil and the depth of the tunnel have a small effect on the internal stress of the tunnel, whereas it has a great effect on the pore water pressure of the seabed soil; ④ the incident angle of the seismic wave has a great influence on the internal stress of the tunnel and the pore water pressure of the seabed soil.
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图 4 黏弹性人工边界平面示意图（a）和结点处施加人工边界示意图（b）
Figure 4. Schematic diagrams for the viscoelastic artificial boundary （a） and boundaries imposed at joint （b）
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图 7 输入El-Centro波（a）和Kobe波（b）的加速度时程
Figure 7. Acceleration time-history of inputted El-Centro wave （a） and Kobe wave （b）
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图 9 入射S波和测点A的位移时程
Figure 9. Displacement time-histories of incident shear wave and observation point A
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图 10 入射P波和测点A的位移时程
Figure 10. Displacement time-histories of incident P wave and observation point A
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图 11 不同水深引起的应力变化
（a） 孔隙水压力p；（b） 环向剪应力 τγθ；（c） 环向正应力 σθ
Figure 11. Variation of stress caused by different water depths
（a） Pore water pressure p；（b） Hoop shear stress τγθ；（c） Hoop normal stress σθ
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图 12 不同地震动特性引起的应力变化
（a） 孔隙水压力p；（b） 环向剪应力 τγθ；（c） 环向正应力 σθ
Figure 12. Variation of stress caused by different ground motion characteristics
（a） Pore water pressure p；（b） Hoop shear stress τγθ；（c） Hoop normal stress σθ
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图 13 不同剪切波速vS引起的应力变化
（a） 孔隙水压力p；（b） 环向剪应力 τγθ；（c） 环向正应力σθ
Figure 13. Variation of stress caused by different shear wave velocity vS
（a） Pore water pressure p；（b） Hoop shear stress τγθ；（c） Hoop normal stress σθ
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图 14 不同渗透系数k引起的应力变化
（a） 孔隙水压力p；（b） 环向剪应力 τγθ；（c） 环向正应力 σθ
Figure 14. Variation of stress caused by different permeability coefficient k
（a） Pore water pressure p；（b） Hoop shear stress τγθ；（c） Hoop normal stress σθ
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图 15 不同埋深引起的应力变化
（a） 孔隙水压力p；（b） 环向剪应力 τγθ；（c） 环向正应力 σθ
Figure 15. Variation of stress caused by different tunnel depth
（a） Pore water pressure p；（b） Hoop shear stress τγθ；（c） Hoop normal stress σθ
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图 16 入射角θ对不同测点竖向（a）、水平向（b）位移的影响
Figure 16. Vertical （a） and horizontal （b） displacement for different measuring points by incident angle θ
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图 17 不同入射角下各测点处的位移放大系数示意图
Figure 17. Displacement magnification coefficient of the measuring points with different incident angles
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图 18 不同入射角θ下各测点处的应力图
（a） 孔隙水压力p；（b） 环向正应力σθ；（c） 环向剪应力 τγθ
Figure 18. Stress diagrams for different incident angles θ and measuring points
（a） Pore water pressure p；（b） Hoop normal stress σθ ；（c） Hoop shear stress τγθ
表 1 模型计算参数
Table 1 Model calculation parameters
饱和土体 泊松比 孔隙率 渗透系数/（m·s−1） 饱和度 密度/（kg·m−3） 弹性模量/MPa 0.33 0.35 10−2—10−4 1 1 900 50，200，400 混凝土隧道 隧道半径/m 隧道埋深/m 泊松比 密度/（kg·m−3） 弹性模量/MPa 6 2，4，8 0.2 2 400 30 000 
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表 2 不同工况下的计算参数
Table 2 Calculation parameters for six conditions
工况 地震动特性 入射角
/°土的模量
/MPa剪切波速
/（m·s−1）渗透系数
/（m·s−1）隧道埋深
/m水深
/m1 El-Centro波 0 200 − 10−3 4 0，20，40，80 2 El-Centro波，Kobe波 0 200 − 10−3 4 40 3 El-Centro波 0 − 100，200，400 10−3 4 40 4 El-Centro波 0 200 − 10−2，10−3，10−4 4 40 5 El-Centro波 0 200 − 10−3 2，4，8 40 6 El-Centro波 0，15，30，45，60 200 − 10−3 4 40
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表 3 不同测点在不同入射角作用下位移放大系数
Table 3 Displacement magnication factor of different measuring points with different incident angles
测点入射角/° 位移放大系数 测点1 测点2 测点3 测点4 测点5 测点6 0 1.46 1.47 1.48 1.46 1.46 1.44 15 1.35 1.37 1.40 1.41 1.41 1.36 30 1.39 1.42 1.46 1.47 1.39 1.39 45 1.40 1.42 1.48 1.48 1.40 1.39 60 1.32 1.34 1.38 1.38 1.38 1.31
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