隧道明洞允許回填高度ANSYS數(shù)值模擬分析實(shí)例

1、明洞堆載數(shù)值模擬報(bào)告1數(shù)值建模采用ANSYS軟件對(duì)明洞的回填過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以平面應(yīng)變法進(jìn)行計(jì)算，采用PLANE42實(shí)體單元模擬明洞、周圍土體及片石混凝土，采用LINK1桿單元模擬鋼筋。由于其為明挖結(jié)構(gòu)，因此不考慮周圍土體的拱效應(yīng)。明洞左右各取3倍的跨徑作為計(jì)算范圍，明洞底部取單倍洞高作為計(jì)算范圍，頂部土體取為4m。對(duì)于6m、8m、10m、12m的回填土，以在隧道頂部施加均布荷載的方式進(jìn)行模擬，壓載土的容重為1950kg/m3。設(shè)置其為拉普拉森算法。設(shè)計(jì)參數(shù)：鋼筋直徑取為25，明洞為C30混凝土，鎖定回填為C15片石混凝土。堆載14m時(shí)，下部4m采用回填土，土的容重取為1950kg/m3，上

2、部10m采用爐渣填筑，爐渣的容重取為1300kg/m3，較常規(guī)的800 kg/m3，1.625的安全系數(shù)。表1 數(shù)值模型參數(shù)表材料參數(shù)類別彈模E（MPa）泊松比容重（kN/m³）明洞襯砌3.60×1040.2025.00片石混凝土3.00×1040.2022.00土體2000.331950 25鋼筋2.0×1050. 278.00圖2.1 明洞與周圍土體單元網(wǎng)格圖2.2 模型加載土圖2.3 明洞襯砌與配筋圖圖2.4 明洞結(jié)構(gòu)配筋圖圖2.5 明洞結(jié)構(gòu)與片石混凝土網(wǎng)格圖根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，C30混凝土的極限彎曲抗壓強(qiáng)度為RW=28.1MPa，極限抗拉強(qiáng)度為

3、Rl=2.2MPa。2計(jì)算結(jié)果2.1回填土高8m圖2.1 填土高度為8m時(shí)的襯砌第一主應(yīng)力 分析明洞結(jié)構(gòu)在回填土高為10m時(shí)的第一主應(yīng)力可見，主拉應(yīng)力主要產(chǎn)生在拱腳底部、拱頂內(nèi)側(cè)與仰拱位置，拱角位置的主拉應(yīng)力最大，量值為1.25MPa，小于C30混凝土的抗拉極限，即2.2MPa。若進(jìn)一步增加填土，則該位置混凝土有可能產(chǎn)生拉裂。圖2.2 填土高度為8m時(shí)的襯砌第三主應(yīng)力分析明洞結(jié)構(gòu)在回填土高為8m時(shí)的第三主應(yīng)力可見，主壓應(yīng)力主要產(chǎn)生在拱腳內(nèi)側(cè)，拱角位置的主壓應(yīng)力最大，量值為3.96MPa，遠(yuǎn)小于C30混凝土的彎曲抗壓極限，即28.1MPa。明洞結(jié)構(gòu)不會(huì)因上部堆載而產(chǎn)生混凝土壓裂。2.2回填土高1

4、0m圖2.3 填土高度為10m時(shí)的襯砌第一主應(yīng)力 分析明洞結(jié)構(gòu)在回填土高為10m時(shí)的第一主應(yīng)力可見，主拉應(yīng)力主要產(chǎn)生在拱腳底部、拱頂內(nèi)側(cè)與仰拱位置，拱角位置的主拉應(yīng)力最大，量值為1.38MPa，小于C30混凝土的抗拉極限，即2.2MPa。圖2.4 填土高度為10m時(shí)的襯砌第三主應(yīng)力 分析明洞結(jié)構(gòu)在回填土高為10m時(shí)的第三主應(yīng)力可見，主壓應(yīng)力主要產(chǎn)生在拱腳內(nèi)側(cè)，拱角位置的主壓應(yīng)力最大，量值為4.4MPa，遠(yuǎn)小于C30混凝土的彎曲抗壓極限，即28.1MPa。2.3回填土高12m圖2.5 填土高度為12m時(shí)的襯砌第一主應(yīng)力分析明洞結(jié)構(gòu)在回填土高為12m時(shí)的第一主應(yīng)力可見，主拉應(yīng)力同樣主要產(chǎn)生在拱腳底

5、部、拱頂內(nèi)側(cè)與仰拱位置，拱角位置的主拉應(yīng)力最大，量值為1.56MPa，小于C30混凝土的抗拉極限，即2.2MPa。圖2.6 填土高度為12m時(shí)的襯砌第三主應(yīng)力分析明洞結(jié)構(gòu)在回填土高為12m時(shí)的第三主應(yīng)力可見，主壓應(yīng)力主要產(chǎn)生在拱腳內(nèi)側(cè)，拱角位置的主壓應(yīng)力最大，量值為4.92MPa，遠(yuǎn)小于C30混凝土的彎曲抗壓極限，即28.1MPa。明洞結(jié)構(gòu)不會(huì)因上部堆載而產(chǎn)生混凝土壓裂。2.4回填土高14m（4m土+10m爐渣）填土14m時(shí)的方案為下部4m為堆載土，土體的容重為1950kg/m3，上部10m采用爐渣填筑，爐渣容重取為1300 kg/m3，較常規(guī)的800 kg/m3存在1.625的安全系數(shù)。圖2

6、.7 填土高度為12m時(shí)的襯砌第一主應(yīng)力分析明洞結(jié)構(gòu)在回填土高為14m時(shí)的第一主應(yīng)力可見，主拉應(yīng)力同樣主要產(chǎn)生在拱腳底部、拱頂內(nèi)側(cè)與仰拱位置，拱角位置的主拉應(yīng)力最大，量值為1.44MPa，小于C30混凝土的抗拉極限2.2MPa。結(jié)構(gòu)安全，且尚存在1.53的安全系數(shù)。圖2.8 填土高度為12m時(shí)的襯砌第三主應(yīng)力分析明洞結(jié)構(gòu)在回填土高為14m時(shí)的第三主應(yīng)力可見，主壓應(yīng)力主要產(chǎn)生在拱腳內(nèi)側(cè)，拱角位置的主壓應(yīng)力最大，量值為4.43MPa，遠(yuǎn)小于C30混凝土的彎曲抗壓極限，即28.1MPa。明洞結(jié)構(gòu)不會(huì)因上部堆載而產(chǎn)生混凝土壓裂。3總結(jié) 1在回填土的堆載作用下，明洞襯砌結(jié)構(gòu)的主壓應(yīng)力主要位于拱腳內(nèi)側(cè)位置，在計(jì)算堆載范圍內(nèi)（612m）其量值遠(yuǎn)小于C30混凝土的抗壓極限，混凝土不會(huì)產(chǎn)生壓裂。 2在回填土的堆載作用下，明洞襯砌結(jié)構(gòu)的主拉應(yīng)力主要位于拱角底部、拱頂內(nèi)側(cè)和仰拱位置，拱角位置的拉應(yīng)力最大，隨著堆載土高的增大而增大，當(dāng)堆載土高為10m時(shí)，其拉應(yīng)力為1.38MPa，小于C30混凝土的抗拉極限。當(dāng)堆載土高為12m時(shí)，其拉應(yīng)力為1.56MPa，亦C30混凝土的抗拉極限。 3考慮混凝土的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其抗拉強(qiáng)度，應(yīng)以抗拉強(qiáng)度作為其控制標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)堆載土高為12m時(shí)，拉應(yīng)力值雖然小于其極限應(yīng)力，但安