关于浅埋浸没隧道在砂黏土海床基础中地震动力学的数值研究

《Ocean Engineering》：Numerical study on seismic dynamics of shallowly-buried immersed tunnel in sandy-clay seabed foundation

浸没隧道在粘土-砂层地基中的地震响应分析表明，地震荷载引发海底砂层液化并形成剪切带，同时抑制水平剪切波传播。隧道产生显著垂直浮力位移（平均3.2m）和水平振荡（最大达1.8g加速度），接头处呈现三种主要失稳模式：周边土体滑动、隧道段错位及结构塑性变形。研究验证了FssiCAS耦合数值平台在解析复杂土-水-结构相互作用中的有效性，为跨海长隧道抗震设计提供了量化依据。

　　

上晓龙|叶建宏|何坤鹏

中国科学院岩土力学研究所，武汉，430071，中国

摘要

沉管隧道是城市交通基础设施的关键组成部分，在高强度地震区域极易受到地震活动的影响。因此，了解其动态响应和潜在的失效模式对于制定有效的抗震设计标准至关重要。本研究采用了耦合数值软件FssiCAS，并结合了PZIII和软土本构模型，系统地分析了嵌入沙层上黏土层中的沉管隧道的地震行为。模拟成功识别了地震荷载引起的潜在失效机制。结果表明，地震波会导致海底基础内部孔隙压力显著增加以及有效应力降低，从而引发下层沙层的液化。有趣的是，液化的沙层起到了地震隔震作用，减弱了水平剪切波的向上传播，同时在黏土-沙层界面产生了明显的剪切带。隧道经历了显著的垂直（浮力）位移、明显的水平振荡和有限的旋转。对相邻隧道段接缝处差异位移的分析揭示了三种主要的不稳定性模式。总体而言，这些结果表明地震响应受到复杂的土-结构相互作用的影响，而FssiCAS平台能够有效捕捉这一现象，为这类基础设施的性能基设计提供了关键见解。

引言

近年来，海洋环境中结构、海底和海水之间的耦合动态相互作用受到了学术界的广泛关注。该领域的研究主要关注两类环境荷载：由海浪和洋流产生的水动力荷载以及地震荷载。大量基础性研究已经探讨了海底和海洋结构在波浪和洋流共同作用下的动态响应和稳定性（Bai等人，2025年；Chen等人，2018年、2020年、2021年）。这些研究大多采用单向耦合方法，即通过数值或解析方法确定海浪和洋流对海底及结构表面的水动力压力，然后将其作为边界荷载用于动态分析。然而，这些方法通常忽略了海底变形和结构响应对流体运动的反馈效应。

承受强烈地震力的海底沉管隧道的抗震安全性和可靠性仍然是一个关键问题。大量研究探讨了土壤与结构系统之间的复杂相互作用。主要的研究方法包括离心振动台试验和数值模拟分析。离心振动台试验使用缩比模型复制原型应力条件，从而为隧道地震数值模型的开发和校准提供了重要数据（Kutter等人，2008年；Conti等人，2014年；Esmaeilzadeh等人，2018年）。Cheng等人（2020年）开发了一种适用于饱和沙层中沉管隧道的多节段振动台模型，以研究饱和沙层中的地震响应模式。Cui Jie等人（2020年）对有无上覆水的沉管隧道进行了振动台试验，并将结果与数值建模进行了比较。他们的发现表明，上覆水可以降低场地加速度放大系数，而隧道结构中的应力随水深增加而增大。然而，这些物理模型试验方法在模拟隧道截面和特殊构件的复杂几何形状方面存在局限性。此外，试验中使用的材料往往无法完全满足所有物理参数的相似性要求，导致试验结果与原型性能之间的对应关系不完美。

数值建模作为一种主流的现代分析方法，不仅能够通过适当的本构模型可靠地描述土壤和结构的非线性行为，还能够分析土-结构相互作用的动态特性。其中，有限元（FE）分析是最常用的数值方法。在数值模拟研究中，建模细节的水平直接影响分析的准确性和效率。早期研究经常采用简化模型以降低计算成本，例如Kiyomiya（1995年）提出了一个二维多质量-弹簧模型，将表层土壤层离散为垂直切片，每个切片表示为一个质量-弹簧-阻尼器系统，通过弹簧和阻尼器沿隧道轴线连接起来，以模拟土壤的纵向动态行为。同样，Zhang等人（2021年）开发了一个结构-水-沉积物-岩石相互作用模型，采用粘性弹簧边界来模拟波浪辐射效应，并通过等效边界荷载考虑了斜入射的地震波。虽然这种简化方法对于分析整体隧道响应非常有效，但难以准确捕捉土壤的非线性、复杂的地层结构以及完整的土-结构相互作用。为了更真实地模拟地震动力学，后续研究开发了更精细的二维模型。Chen等人（2024年）建立了一个800米宽的二维模型，其中包含由黏土和沙层组成的双层海底，上面覆盖着海水。他们使用Davidenkov模型描述土壤的非线性，并采用耦合声学-结构方法分析土-水相互作用，探讨了接触条件、地震输入、海水效应和基础加固措施的影响。这项研究为双向地震激励下隧道的应力和变形特性提供了一些见解。此外，Xiao等人（2014年）和Ding等人（2006年）分别对关键隧道构件和整体结构进行了精细的数值模拟。前者采用了双线性弹塑性模型和Mooney-Rivlin模型来描述隧道结构，后者建立了一个大规模的三维有限元模型。后者使用Drucker-Prager模型模拟土壤行为，并采用Mooney-Rivlin公式和复杂的塑性模型来描述橡胶构件的非线性行为。然而，这些研究在模型维度、本构关系和系统耦合方面存在局限性。也就是说，大多数简化模型难以捕捉三维空间效应；虽然有些模型使用了二维或三维固体元素，但所选的本构模型（例如Davidenkov模型、Drucker-Prager准则）在描述孔隙压力积累、液化和循环加载下的临界状态行为方面仍然不足。此外，尚未充分考虑土壤中有效应力和孔隙压力的非线性演变等复杂力学行为，以及隧道本身的动态特性，这导致数值结果的可靠性有待提高。此外，能够耦合流体渗流、土壤骨架变形和结构振动之间非线性相互作用的数值研究很少。

近海环境中常见的海底地层剖面特征是黏土层覆盖在沙层之上。在循环荷载下，例如地震引起的荷载下，下层沙层倾向于收缩，导致过量孔隙压力的快速积累和潜在的液化。这种孔隙压力积累由于上覆黏土的低渗透性而进一步加剧，阻碍了排水。因此，这种复合海底基础的地震响应与均匀土壤沉积物的响应有根本不同，使其成为海上基础设施设计中的一个关键问题。

本研究以港珠澳大桥（HKZMB）中的沉管隧道为原型，探讨其地震性能和动态响应特性。建立了一个代表性截面的二维模型，分别使用Pastor-Zienkiewicz Mark III（PZIII）和软土模型模拟下层沙层和上覆黏土层的循环行为。模拟使用的是耦合数值软件FssiCAS（可在https://www.fssi.ac.cn/download.html获取），该软件在分析复杂流体-结构-海底相互作用（FSSI）方面的可靠性已在先前的研究中得到验证（Ye等人，2014年；Ye等人，2015年；He和Ye，2023年）。利用这一经过验证的平台，本研究系统地分析了嵌入黏土-沙层海底基础中的沉管隧道的地震动态特性。根据研究结果，成功识别了潜在的失效模式，从而为大型跨海沉管隧道的性能基抗震设计提供了一些关键指导。

计算域、边界条件

本研究中的数值模型基于港珠澳大桥（HKZMB）中沉管隧道的代表性截面（Li等人，2019年）。如图1所示，为了便于计算分析，复杂的工程场地地层被简化为两个主要层次：黏土覆盖在沙层之上。图2（a）和2（c）展示了计算域，其长度为隧道宽度的十倍，深度为隧道高度的五倍。

数值模型

本研究采用集成数值模型FssiCAS（Ye等人，2013年）作为计算平台，用于模拟沉管隧道在松散海底中的地震响应。该模型专为解决海上岩土工程中的完全耦合流体-海底-结构相互作用问题而设计。其数值框架和求解算法已经通过一系列基准研究得到了严格验证，包括与解析解的比较

输入地震波

历史记录显示，港珠澳大桥工程现场的地震最大强度为V度（Jiang等人，2023年）。对于这座超大型桥梁的地震设计，必须评估其在极端强度下的极限状态。由于缺乏特定于该现场的强地震运动记录，输入的地面运动是根据相关国家规定估算的（广东省人民代表大会常务委员会，2017年）（广东省地震局

初始状态

通过静力平衡分析确定的隧道-海底系统的初始应力状态如图7和图8所示。该状态为后续的地震动态分析提供了初始条件。

图7显示了平衡后的位移场。隧道的浮力导致局部抬升现象，表现为隧道周围的垂直位移减小，以及其上方海底表面的轻微水平位移。

结论

以港珠澳大桥项目为代表性工程背景，利用海洋岩土工程软件FssiCAS作为分析工具，本研究全面探讨了埋藏在黏土-沙层海底基础中的沉管隧道的地震动态响应特性。对数值结果的分析得出了以下见解。

(1)

在地震荷载作用下，隧道周围的沙层会经历显著的孔隙水

作者贡献声明

上晓龙：撰写——初稿、可视化、资源收集、调查、正式分析、数据整理。叶建宏：撰写——审阅与编辑、监督、软件使用、项目管理、方法论制定、资金获取、概念构思。何坤鹏：撰写——初稿、验证、软件使用、方法论制定、资金获取、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：42307234）的资助支持。