海底沉管隧道管段沉降与应变研究

摘要

随着沉管隧道技术的日益成熟，更多的跨河（海）工程选择沉管法来施工。然而作为一种特殊水下隧道，管段的不均匀沉降及变形将导致管段开裂、渗漏等严重问题，直接影响到隧道的寿命和安全。本文主要通过理论推导及有限元模拟对沉管隧道管段沉降进行深入分析，通过实测对沉管隧道管段变形进行研究。本文主要创新点和结论如下:
　　(1)在修正的弹性地基梁法基础上，对K的取值方法和接头约束方式进行了改进，使之更符合实际工程，提出了新的计算沉管隧道纵向不均匀沉降的方法。并以舟山沈家门港海底沉管隧道为例，进行了详细的算例分析。
　　(2)把沉管隧道基础层和地基土层整体定义为复合地基，用弹簧代表基础层，Kelvin模型代表地基土，提出采用三参数模型来模拟复合地基。在弹性地基梁解的基础上，根据对应性原理和三参数模型本构关系，利用拉普拉斯变换推导出沉管隧道三参数模型的沉降解析解。
　　(3)假定软土地区海底沉管隧道地基土为Kelvin模型，车辆荷载是随时间变化的波动荷载形式，引入粘弹性地基梁模型，利用模态叠加法进而给出了三种情况下沉管隧道的竖向位移、弯矩和地基反力的解答。结合天津海河沉管隧道工程实例，分析了车辆速度、地基土模量对沉管隧道竖向位移及弯矩的影响。发现车速对管段振动的频率产生影响，且车速越快，振动越剧烈，但对振幅没有影响;地基模量对管段振动的振幅影响很大，且地基模量越小，振幅越大，但对振动周期没有影响。
　　(4)采用光纤光栅传感器对舟山沈家门港海底沉管隧道的管节应变进行监测，并对实测数据进行分析，研究了各截面测点实测应变值随时间的变化规律以及潮汐荷载对管段应变的影响。
　　(5)利用MIDAS GTS软件对舟山沈家门港海底沉管隧道进行了三维模拟，得到了各管段的不均匀沉降，及管段应力变形的结果，并且与第二章理论计算隧道纵向不均匀沉降值及实测值进行比对分析。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 沉管隧道沉降研究

1．2．2 沉管隧道变形研究

1．3 存在不足之处

1．4 本文主要研究内容

1．5 本文创新之处

第二章 海底沉管隧道纵向不均匀沉降计算方法研究

2．1 引言

2．2 本文研究思路

2．3 沉管隧道截面理论沉降量的计算方法

2．3．1 计算思路

2．3．2 附加荷载的计算方法

2．3．3 基础层最大沉降量的计算方法

2．3．4 地基土层最大固结沉降量的计算方法

2．3．5 截面t时刻的理论沉降量计算

2．4 沉管隧道纵向不均匀沉降计算方法

2．5 算例分析

2．5．1 工程概况

2．5．2 计算过程

2．5．3 计算结果分析

2．6 本章小结

第三章 三参数模型在海底沉管隧道沉降计算中的应用

3．1 引言

3．2 三参数模型沉管隧道的理论计算

3．2．1 计算模型

3．2．2 基本假定

3．2．3 理论推导

3．3 算例分析

3．4 本章小结

第四章 车辆荷载对软土地区海底沉管隧道沉降的影响分析

4．1 引言

4．2 引用的模型及动力方程

4．3 振动方程的求解

4．4 工程实例分析

4．4．1 管段中点位移的分析

4．4．2 管段中点弯矩的分析

4．5 本章小结

第五章 基于光纤光栅技术的海底沉管隧道管段应变研究

5．1 引言

5．2 光纤光栅传感器工作原理

5．3 现场监测系统

5．3．1 工程概况

5．3．2 光纤型号选择

5．3．3 安装方案

5．3．4 现场安装

5．4 实测数据分析

5．4．1 各截面测点应变实测值随时间变化规律

5．4．2 潮汐对监测结果的影响分析

5．5 本章小结

第六章 舟山沈家门港海底沉管隧道三维有限元模拟

6．1 引言

6．2 建立模型

6．2．1 基本假定

6．2．2 定义材料属性

6．2．3 建立几何模型

6．2．4 划分网格组

6．3 定义施工阶段

6．4 结果分析

6．4．1 管段位移分析

6．4．2 管段应力分析

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 本文主要成果与结论

7．2 进一步研究展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果