[0004] 针对以上不足之处,本专利将管节上回於层假定为不透水层,将潮汐水位的变化视做不透水层上部附加的大面积荷载p0,地下水位所在位置为不透水层顶面。不考虑横向潮流对管节结构的影响,计算作用在管节外壁的水、土压力和地基反力,采用温克尔地基模型,将环向应变计算视为平面应变问题,利用荷载-结构法对管节结构环向受力及变形进行分析,计算模型如图1所示。
[0005] 图中:Hw(t)为随时间变化的潮汐水位,单位为m;H1为不透水层顶面至管节顶板距离,单位为m;H2为顶板顶面至底板底面距离,单位为m;pw1和pw2分别为顶板和底板所受竖向水压,单位为kPa;pe1为顶板所受竖向土压,单位为kPa;p1为地基反力,单位为kPa;qe1和qe2分别为顶板和底板处的侧向土压,单位为kPa;qw1和qw2分别为顶板和底板处的侧向水压,单位为kPa。
[0006] 图1中,侧向土压力和地基反力按线性分布仅作示意,实际侧向土压力分布由各土层参数确定,地基反力分布由计算确定。倾斜顶板所受竖向荷载和侧向荷载也仅作示意,实际计算荷载沿外壁倾斜分布。
[0007] 1.管节横向模型受力计算
[0008] 作用在不透水层顶面的等效大面积荷载为:
[0009] p0=γwHw(t) (1)
[0010] 式中:γw为水的重度,单位为kN/m3。
[0011] 顶板所受竖向水压和土压分别为:
[0012] pw1=γwH1 (2)
[0013] pe1=p0+∑γi′hi (3)
[0014] 式中:γi′为管节上覆各土层有效重度,单位为kN/m3;
[0015] hi为管节上覆各土层厚度,单位为m。
[0016] 底板所受竖向水压为:
[0017] pw2=γw(H1+H2) (4)
[0018] 假定管节侧向荷载沿高度成线性分布,则顶板处的侧向水压和土压分别为:
[0019] qw1=γwH1 (5)
[0020] qe1=K0(p0+∑γi′hi) (6)
[0021] 式中:K0为静止土压力系数。
[0022] 底板处的侧向水压和土压分别为:
[0023] qw2=γw(H1+H2) (7)
[0024] qe2=K0(p0+∑γi′hi+∑γj′hj) (8)
[0025] 式中:γj′为管节所处各土层有效重度,单位为kN/m3;
[0026] hj为管节所处各土层厚度,单位为m。
[0027] 2.管节环向应力应变关系
[0028] 定义管节横向为x轴方向,竖向为y轴方向,如图1所示。将管节截面视为平面应变状态,通过管节所受外力计算其应力分布,根据广义胡克定律得到三向应力-应变关系为:
[0029]
[0030] 式中:μ为管节材料泊松比;
[0031] E为管节材料弹性模量,单位为Mpa;
[0032] εx、εy和εz分别为x轴、y轴和z轴方向应变,拉应变为正,压应变为负;
[0033] σx和σy分别为x轴和y轴方向应力,拉应力为正,压应力为负。
[0034] 实体管节截面厚度分布不均,若等效为杆系进行计算会产生一定误差,本专利通过建立管节二维有限元模型进行计算,其中,地基采用弹簧单元模拟。最终,通过计算可以得到某一潮汐水位下管节内外壁环向应变分布及管节内外壁各点环向应变随潮汐水位变化的影响。计算结果可以用于预测运营阶段沉管隧道管节环向应变,预判可能产生裂缝的部位,并对其进行重点监控和预防。
[0035] 本专利的效果:
[0036] 本专利理论基础扎实,建立了管节横截面计算模型,分析潮汐荷载下管节横截面受力情况,并根据管节三向应力-应变关系计算管节环向应变分布。实际计算中可利用有限元软件建立管节二维模型,赋予结构和土层合理的特性参数,借助计算机强大的运算能力提高计算速度和精度。
[0037] 管节计算模型将三维问题等效为平面应变问题,适用于两端约束较小截面的应变分析,故管节两端接头柔性越大,计算截面越接近管节中部,则环向应变计算精度越高。
[0038] 本专利可对潮汐荷载下沉管隧道管节环向应变进行计算,之前未有专利提出相关计算方法。利用本专利提出的方法得到的潮汐荷载下管节环向应变增量计算结果与实测结果基本一致,误差较小,模型及计算方法可靠。因此,本专利提出的模型及计算方法可用于预测潮汐荷载下管节环向总应变值。环向总应变较大的部位为管节裂缝可能产生的区域,即管节危险区域,需要重点监控并采取措施,以预防隧道渗漏的发生。