竖向和水平向地震动耦合作用下海底沉管隧道失稳机理

王秋哲; 荀郑; 白笑笑; 赵凯; 陈国兴

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20230809001

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竖向和水平向地震动耦合作用下海底沉管隧道失稳机理

论文 | 更新时间：2025-07-07

- 竖向和水平向地震动耦合作用下海底沉管隧道失稳机理
- Instability Mechanism of Immersed Tunnel under Coupled Vertical‑horizontal Ground Motions
- 防灾减灾工程学报 2025年45卷第3期页码：584-592
- 作者机构：
  
  1.江苏商贸职业学院建筑工程与管理学院，江苏南通 226000
  2.南京工业大学岩土工程研究所，江苏南京 210000
- 作者简介：
  
  王秋哲(1994—)，男，讲师，博士。主要从事海洋岩土工程防灾减灾工作。E-mail：wangqiuzhe@jsbc.edu.cn
  赵凯(1982—)，男，教授，博士。主要从事岩土地震工程工作。E-mail：zhaokai@njtech.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(52378347;52408540);南通市自然科学基金项目(JC2023026)
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20230809001
  中图分类号： TU93
- 收稿：2023-08-09，
  
  修回：2023-10-13，
  
  纸质出版：2025-06-28
- 稿件说明：
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王秋哲,荀郑,白笑笑等.竖向和水平向地震动耦合作用下海底沉管隧道失稳机理[J].防灾减灾工程学报,2025,45(03):584-592.

WANG Qiuzhe,XUN Zheng,BAI Xiaoxiao,et al.Instability Mechanism of Immersed Tunnel under Coupled Vertical‑horizontal Ground Motions[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(03):584-592.
王秋哲,荀郑,白笑笑等.竖向和水平向地震动耦合作用下海底沉管隧道失稳机理[J].防灾减灾工程学报,2025,45(03):584-592. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20230809001.

WANG Qiuzhe,XUN Zheng,BAI Xiaoxiao,et al.Instability Mechanism of Immersed Tunnel under Coupled Vertical‑horizontal Ground Motions[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(03):584-592. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20230809001.

摘要

在深厚软弱海床中修建跨海隧道并确保其地震安全是一项重大的工程挑战。竖向（P波）和水平向（SV波）地震动耦合作用导致海床土体产生复杂的流固耦合效应，即土体受到正应力差和剪应力的三维耦合剪切作用，瞬态超孔隙水压力呈振荡与累积两种增长模式且引起土体循环软化。基于扩展Masing法则构造了粘弹塑性应力应变滞回曲线，基于Biot动力固结方程以及对剪应力和正应力差耦合剪切引起的不可逆性体应变的数学描述，建立了饱和砂土有效应力本构模型；基于FLAC3D平台对该本构模型进行了二次开发，对室内单元试验数值模拟结果表明，建立的有效应力本构模型能够反映饱和砂土的孔压增长规律和液化过程。以渤海实际钻孔为场地条件，建立了沉管隧道-砂质海床相互作用模型，对竖向‑水平向地震动耦合作用下沉管隧道的动力稳定性进行了数值模拟，揭示了双向地震动作用下沉管隧道‑海床体系的动力相互作用机理及海床的渐进液化规律，明确了沉管隧道失稳的控制性因素为抗浮力的减小和上浮力的增大。上述研究成果可为海底沉管隧道的抗震设计提供参考依据。

Abstract

The construction of immersed tunnels across deep

soft seabeds and ensuring their seismic safety represents a major engineering challenge. The coupled action of vertical (P-wave) and horizontal (SV-wave) ground motions induces complex fluid-solid interaction in the seabed soil

where the soil is subjected to three-dimensional coupled shear effects of deviatoric stress and shear stress. This leads to transient excess pore water pressure exhibiting two growth patterns—oscillation and accumulation—which trigger cyclic softening of the soil. The viscoelastic-plastic stress-strain hysteresis curve was constructed based on the extended Masing rule. Based on the Biot dynamic consolidation equation and mathematical description of irreversible volumetric strain induced by the coupling of shear stress and deviatoric stress

an effective stress constitutive model for saturated sand was established. A secondary development of this constitutive model was then implemented on the FLAC3D platform. Numerical simulation results of laboratory element tests demonstrated that the proposed effective stress constitutive model could reflect the pore pressure growth and liquefaction process of saturated sand. Using actual borehole data from the Bohai Sea as site conditions

an immersed tunnel-sandy seabed interaction model was established. Numerical simulations were conducted to investigate the dynamic stability of the immersed tunnel under coupled vertical-horizontal ground motions. The simulations revealed the dynamic interaction mechanisms of the tunnel-seabed system and the progressive liquefaction patterns of the seabed under bi-directional ground motions. It was determined that controlling factors for immersed tunnel instability were the reduction of anti-buoyancy and the increase in uplift force. The findings provide references for the seismic design of submarine immersed tunnels.

关键词

Keywords

references

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