适用于沉管隧道接头剪力键的恒阻大变形传力垫层及设计方法与流程

本发明涉及沉管隧道设计与施工，具体涉及一种适用于沉管隧道接头剪力键的恒阻大变形传力垫层及设计方法。

背景技术：

1、随着我国海洋强国与交通强国战略的深入推进，交通工程事业呈现蓬勃发展的态势，国内已建、正建和拟建多处跨江越海通道，一大批越江跨海隧道等重大工程不断涌现。由于埋置深度灵活、地质条件适应能力强、两岸接线短及对岸线环境影响小等诸多优势，沉管隧道工法已成为这些跨江越海隧道建设的主要工法之一，并逐渐向长距离、大管节、强径流、厚软基、深基槽、大埋深方向发展。在超长、深埋、大回淤、强地基非均匀性环境下，沉管隧道管节接头抗剪安全度偏低，将面临遭受过大差异沉降而发生接头结构剪切破坏的风险。剪力键是设置在沉管隧道管节接头的重要衔接构造，相邻管节间产生的内力和变形主要通过接头剪力键传递，通过相邻剪力键间的错动变形，将沉管结构的刚性与接头的柔性结合起来，保证沉管接头在能够产生变形的同时具有一定的结构安全。当水下发生复杂的差异沉降作用时，过大的内力和变形均会使接头剪力键产生结构性破坏，从而引起沉管管壁或接头出现渗水现象。因此，如何避免差异沉降作用下沉管隧道管节接头剪力键遭受剪切破坏，对保障沉管隧道接头的结构和防水安全都具有重大意义。

2、目前常在沉管隧道管节接头剪力键间放置传力垫层，以传递剪力键间接触压力与接头变形，通过传力垫层的被动压缩，以释放管节之间的差异沉降。现有的沉管隧道接头剪力键传力垫层常为eps塑料板垫层或橡胶垫层，变形较大，但刚度与承载力偏低，仅适用于浅埋沉管隧道，或管段接头差异沉降较小情况；在大埋深或较大差异沉降情况下，这些eps塑料板垫层或橡胶垫层将被过度压缩，无法控制剪力键间接触压力量值，可引起剪力键所受内力超过剪力键的承载能力，导致剪力键受剪破坏。中国专利文献cn202122757642.4记载了一种沉管隧道用的剪力键弹性垫层装置，通过上座板与下座板所围成的环形空间内弹性元件的垂直弹性压缩变形来满足现沉管隧道剪力键传力垫层大变形压缩的功能要求，但是该结构相对复杂，大变形受压下其作用机理类似弹簧压缩，随着压缩变形增大，弹性元件内力将持续增加，在大埋深或较大差异沉降情况下，剪力键所受内力可超过其承载能力，引起剪力键受剪破坏。

3、所以，亟需研发一种既具备大变形，又可控制剪力键所受内力量值的沉管隧道剪力键传力垫层，以避免在大埋深或较大差异沉降下剪力键遭受剪切破坏。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种适用于沉管隧道接头剪力键的恒阻大变形传力垫层及设计方法。本发明的结构设计新颖，具备较大稳定变形量、高恒定阻力、吸收能量、可控制剪力键所受内力量值等多种功能，解决了背景技术中的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：

3、一方面，本发明提供一种适用于沉管隧道接头剪力键的恒阻大变形传力垫层，所述恒阻大变形传力垫层安置于相邻垂直或水平剪力键之间，所述恒阻大变形传力垫层包括垫层箱、套筒、滑移阻力件和传力杆，所述套筒固定于所述垫层箱内；所述滑移阻力件设置于所述套筒内，所述滑移阻力件内沿竖直方向设置有非贯穿型孔洞，所述滑移阻力件底面与所述垫层箱底面之间具有间距；所述传力杆上端伸出所述套筒，其下端嵌置于所述孔洞内并与之滑动配合；所述滑移阻力件被设置为：当所述传力杆带动所述滑移阻力件下移时，所述滑移阻力件用于挤压所述套筒使其产生径向膨胀，以使所述滑移阻力件和所述套筒在挤压面产生恒定滑动摩擦阻力。

4、优选地，所述滑移阻力件包括锥形体和固定于所述锥形体底部的滑移杆，所述滑移杆设置于所述套筒内并与之滑动配合，所述锥形体设置于所述套筒内并向外挤压所述套筒，以使所述锥形体和所述套筒之间的接触面挤压形成为锥形面，所述锥形面与水平面之间的夹角为锐角。

5、优选地，所述套筒的材料强度需低于所述滑移阻力件的材料强度，以防止锥形体在套筒内滑移时，锥形体由于强度较低而发生摩擦破坏，产生降阻特性；

6、优选地，所述垫层箱上设置有注浆孔，所述垫层箱与所述套筒之间的空隙内充填有水泥砂浆，以防止套筒锈蚀，同时还可以增强滑移阻力件和套筒之间的滑动摩擦阻力。

7、优选地，所述套筒顶部伸出至所述垫层箱外部形成伸出端，所述伸出端表面设置有螺纹，所述螺纹上配置有第一紧固螺母。

8、优选地，所述垫层箱的底部设置有固定脚，所述固定脚上配置有螺杆和第二紧固螺母。

9、优选地，所述传力杆上端设置有盖帽。

10、设套筒与锥形体之间能提供的轴向最大摩擦阻力为临界阻力p0，传力杆对滑移杆所施加的轴向压力为p，则可得到如下判据：

11、(1)弹性变形阶段：当轴向压力p＜临界阻力p0时，管节接头处差异沉降较小，传力杆无刚性移动，锥形体与套筒间无相对滑动，此时通过传力杆与滑移杆的弹性变形，吸收接头处差异沉降与相对转动；

12、(2)滑动变形阶段：当轴向压力p≥临界阻力p0时，传力杆推动锥形体向下刚性移动，锥形体与套筒间发生相对摩擦滑动，吸收接头处差异沉降变形与相对转动，在滑移过程中，锥形体将保持恒定摩擦阻力p0。

13、(3)再平衡静止阶段：经过锥形体在套筒内摩擦滑移做功，沉管隧道接头处差异沉降得到充分释放，轴向压力p将再次小于临界阻力p0，锥形体停止摩擦滑移，接头剪力键再次处于相对稳定状态。

14、优选地，当所述套筒与所述滑移阻力件之间所提供的轴向阻力达到恒定滑动摩擦阻力时，剪力键需处于安全状态，需通过室内剪切试验对所发明的恒阻大变形传力垫层相关参数进行优化设计。

15、另一方面，本发明提供一种适用于沉管隧道接头剪力键的恒阻大变形传力垫层的设计方法，所述设计方法包括：

16、步骤1)获取实际依托沉管隧道接头处的最大容许差异沉降设计值s；

17、步骤2)制作尺寸及相关材料参数与实际依托沉管隧道的剪力键一致的上剪力键与下剪力键，然后将多个恒阻大变形传力垫层安装于上剪力键与下剪力键之间，上剪力键保持不动，推动下剪力键缓慢向上移动距离s，试验过程中需监测记录每个盖帽所受垂直压力p及其垂直位移u；

18、步骤3)判断下剪力键向上运动s位移时，上剪力键所受到的垂向外力最大值fm是否小于上剪力键的承载力极限fs，滑移杆相对于套筒发生摩擦滑动前的竖向最大弹性压缩变形量u0是否小于下剪力键向上运动位移s；若fm≤fs，且u0≤s，则所设计的恒阻大变形传力垫层的各项指标参数合理，在差异沉降s条件下，剪力键将处于安全状态；若fm≥fs，且u0≤s，则所设计的恒阻大变形传力垫层的部分指标参数不合理，在差异沉降s条件下，剪力键可发生剪切破坏，需重新设计恒阻大变形传力垫层的相关指标参数；若fm≤fs，且u0≥s，则所设计的恒阻大变形传力垫层过于保守，需进行重新设计。

19、优选地，步骤s1中获取实际依托沉管隧道接头处的最大容许差异沉降设计值s的方法为：

20、步骤1.1)首先针对所依托的沉管隧道工程项目进行图纸分析，选取该沉管隧道埋深最大或可能发生最大差异沉降处的相邻三个隧道管节单元为对象，建立包含下卧地层--沉管隧道结构--上覆土层的三维有限元精细数值仿真模型；

21、步骤1.2)若该沉管隧道采用整体式管节结构，则三维有限元数值模型中仅模拟管节单元接头，对管节单元接头处的gina止水带采用非线性弹簧单元模拟，对管节单元接头处的水平与垂直剪力键采用三维实体单元模拟；

22、步骤1.3)若该沉管隧道采用节段式管节结构，则三维有限元数值模型除了要考虑管节单元接头外，还需模拟节段接头；对管节单元接头处的gina止水带采用非线性弹簧单元模拟，对管节单元接头处的水平与垂直剪力键采用三维实体单元模拟；管节单元内部节段接头处主要受力构件一般为剪力键，则采用三维实体单元模拟模拟节段接头处的水平与垂直剪力键；

23、步骤1.4)基于所建立的下卧地层--沉管隧道结构--上覆土层的三维有限元精细数值仿真模型，开展依托工程沉管隧道的填埋施工过程模拟，分析施工阶段隧道管节接头处最大差异沉降值s1；

24、步骤1.5)采用等效荷载法考虑行车荷载、地震荷载，考虑运营阶段管顶最大回淤埋深，基于所建立的下卧地层--沉管隧道结构--上覆土层的三维有限元精细数值仿真模型，开展依托工程沉管隧道的运营阶段受力变形数值模拟分析，分析运营阶段管节接头处最大差异沉降值s2；

25、步骤1.6)基于所获得的最大差异沉降s1与s2，选取二者中最大值作为接头处最大容许差异沉降设计值s。

26、本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

27、本发明通过套筒内部锥形体滑移，使套管径向膨胀变形，利用锥形体和套筒之间的摩擦力来产生恒定阻力和较大变形量，通过锥形体与套筒间摩擦做功而吸收接头变形能，可控制接头剪力键间接触压力上限值，以避免在大埋深或较大差异沉降下剪力键遭受剪切破坏，并可吸收强地震、沉船、车辆撞击及爆破等偶然荷载所诱发的振动与冲击能量。