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随着现代交通运输事业的快速发展,海底隧道的建设解决了横跨海峡、海湾、海岛之间的交通连接问题,其所产生的巨大的经济和社会效益已经逐步走进公众视野。海底隧道多修建在复杂的地质环境中,渗流和地震对其影响显著。目前,中国大陆的厦门翔安海底隧道、青岛胶州湾海底隧道以及广州狮子洋海底隧道业已建成并投入使用,尚在规划论证研究阶段的有杭州湾、珠江口、琼州海峡、台湾海峡的跨海工程等,这些海底隧道能否满足地震和渗流作用下的稳定是一个悬而未决的问题,因此定量估计海底隧道的动力安全储备显得尤为重要。 虽然陆上隧道稳定的研究已由静力稳定转向动力稳定,研究重点是利用有限元法由计算应力、位移和塑性区大小来判断围岩的稳定性过渡到通过计算安全系数作为隧道的稳定性判据,但是海底隧道的稳定研究仍停留在利用数值仿真计算海底隧道围岩和衬砌结构的应力和应变等,利用应力、位移和塑性区大小等来判断围岩的稳定性。由于不知道围岩的真实破坏状态,致使这种判断准则并不准确。海底有着如地震、渗流、波浪、海流和高水压等复杂的地质环境,因此,进行复杂地质环境下海底隧道的地震动稳定研究,定量估计海底隧道的地震动安全系数具有重要的理论和工程实际意义。考虑到问题的复杂性,本报告仅对地震和渗流作用下的海底隧道进行稳定性研究。 为了研究渗流和地震作用下海底隧道结构的稳定性,本报告以胶州湾海底隧道为例,采用动力有限元静力强度折减法,获得海底隧道结构的动力安全系数。本报告核心内容包括:基本理论,有、无减震层海底隧道的地震动稳定分析,海底隧道的地震动稳定分析对比,结论。 基本理论中较为详尽地介绍了强度折减法的基本原理、混凝土的本构关系、岩(土)体弹塑性强度理论、弹性常数对地震动安全系数的影响、边界条件、孔隙岩土介质的渗透定律、海底隧道渗流场与应力场耦合计算方法、地震波的选取和输入。在无减震层海底隧道的地震动稳定分析中,考虑粘弹性人工边界及渗流的影响,研究了海水深度、上覆岩层厚度和渗透系数对地震稳定安全系数、有效应力、主应力和位移的影响,研究了海水深度、上覆岩层厚度和渗透系数与地震稳定安全系数、有效应力、主应力和位移的变化规律。在有减震层海底隧道的地震动稳定分析中,通过在初衬和二衬之间设置泡沫混凝土,研究了地震稳定安全系数、有效应力、主应力和位移与海水深度、上覆盖岩层厚度和渗透系数的相关关系。有、无减震层海底隧道的地震动稳定对比分析中,对比分析了有(无)减震层情况下安全系数、有效应力、主应力、位移随海水深度、上覆盖岩层厚度和渗透系数的变化规律。