基于ADINA的沉管隧道有限元分析

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某海底隧道主体结构物处于深厚软弱地层上，地层分布差异大，基岩埋藏在海床面下50～110m，隧道穿越五种不同地层，沿轴线方向隧道基础具有水深条件不同、基底地层物理力学性质差异性大、隧道上覆的荷载及工况复杂等特点。且有管节长度长、埋置深、回淤荷载大、地层差异大、沉降控制难、岛隧结合部施工复杂等特点。文中选取其中一典型深槽段横断面进行计算。

计算模型：

采用adina软件中的2D模型进行计算，材料为Mohr-Coulomb材料模型，因基坑开挖深度为30m，开挖坡度为1:7，模型宽度较宽，为386m，模型深110m，沉管隧道宽38m，高11.4m。左右边界采用水平约束，底边为竖向约束。模型中存在重复单元（同位置有不同材料单元并且节点相同）的单元生死定义，来处理基坑的开挖、沉管沉放过程的模拟。在沉管及上覆土单元被“激活”之前，计算模型在土的自重条件下产生的沉降，考虑土层在开挖隧道之前经历若干年已经形成的沉降，即消除土的先期历史沉降对隧道开挖后沉降的影响；杀死要开挖部分的单元来模拟基坑的开挖，此时可以得到基坑底部相对于第一步固结沉降时的位移，即基坑底部回弹；按时间先后激活垫层-沉管-上覆土-淤泥回淤土单元进行计算，即可得到地基的再压缩量，与应力分布情况。

表1 参数选取

表2参数选取

表3 参数选取

模量选取说明：1、土层在固结、开挖和再压缩状态下模量是变化的，其中粘土夹砂、粗砾砂、中砂的模量是由三轴应力路径试验得到的。

2、沉管埋深为30m，底部在粘土夹砂层，其上的淤泥层与粘土层的模量在不同阶段的变化对地基变形量影响不大，故其模量的变化不予考虑。

图1 有限元网格划分图

计算结果及分析：

图2 断面开挖后位移云图 图3 沉管沉放淤泥回淤后云图

图2为基坑开挖后相对于原固结土层的相对位移云图，从图中可以看出，开挖后沉管底部土层竖直方向的位移均为正值，即土层整体出现回弹，最大回弹量为0.0756m，最大回弹量出现在基槽表面，随土层深度加深，回弹量逐渐减小，土层最底部基本没有回弹位移。

图3为放置沉管且上部淤泥回於后，相对于开挖回弹的相对位移云图，从图中可以看出，回填回淤后沉管底部土层竖直方向的位移均为负值，即土层整体又产生再压缩现象，最大再压缩量为0.116m，最大再压缩量仍然出现在基槽表面，且随土层深度加深，再压缩量逐渐减小，再压缩范围对最底部土层影响开挖后基槽回弹量回淤后基槽再压缩量

由图中可以看出，开挖后基槽底部回弹曲线呈拱形，基坑上部土体开挖后，应力释放，基地应力发生重分布，造成基坑底部隆起，又由于坡脚外及以上土体的限制基槽中心处回弹量较大，回弹量最大差值为0.0026m。而再压缩曲线图呈倒马鞍形分布，。这与沉管内部结构有关，距沉管中心左右约3m处分别有一个内隔墙，传递沉管上部荷载，又因沉管下有两米厚的碎石垫层，刚度较大，沉管底部并不是实际的对刚体，地基由此呈现出随应力分布的趋势，不过差值很小，再压缩量最大差值为0.0011m，地基未发生破坏。

结语

利用非线性有限元软件ADINA对沉管隧道的开挖沉放回填进行了数值模拟，从计算结果可以看出，ADINA里的单元生死技术可以很好的模拟沉管隧道的施工过程，分析研究了在深基坑大放坡开挖下，基坑底部回弹规律，采用未处理砂土层作为地基是合理的。

参考文献：

[1]张向东.土体固结沉降的ADINA分析[J].中外公路,2006(2):17-18.